Effetto Magnetocalorico

Effetto Magnetocalorico e refrigerazione
magnetica  (2008)

L'effetto magnetocalorico (MCE) é una proprietà intrinseca di tutti i
materiali magnetici e consiste nella variazione della parte magnetica
dell’entropia del solido in conseguenza dell’accoppiamento dei sottoreticoli
magnetici con il campo applicato (Fig. 1). La natura del MCE fu spiegata
indipendentemente da Debye e Giaque che proposero l’uso pratico dell’effetto per
raggiungere temperature molto basse, in un processo noto come smagnetizzazione
adiabatica. Come nella compressione di un gas, nel processo di magnetizzazione
isoterma di un ferromagnete (o paramagnete) si riduce l’entropia, mentre con la
successiva smagnetizzazione (similmente all’espansione del gas) si ripristina il
valore dell’entropia a campo zero (Fig. 2). Quindi, materiali magnetici con
elevato MCE potrebbero essere convenientemente impiegati come refrigeranti
solidi in impianti frigoriferi, con notevoli vantaggi rispetto alla tradizionale
refrigerazione basata sul ciclo di compressione-espansione di gas: 1) impatto
ambientale nullo; 2) maggior efficienza termodinamica (dovuta all’alta
reversibilità dell’effetto magnetocalorico); 3) alta densità di energia (solido
vs gas); 4) risparmio energetico (con l’eliminazione del compressore).
Ciò
che ha reso attuale la ricerca nel campo della refrigerazione magnetica é stata
la recente scoperta dell’esistenza di un effetto magnetocalorico rilevante
(definito gigante) nel composto intermetallico Gd5(Si1.8 Ge2.2) dove è stata
osservata una variazione di entropia DSmag di circa 20 J/kg K (un valore doppio
rispetto a quelli misurati precedentemente) per una variazione di campo di 5T, a
circa 270 K. Nel corso degli studi, è stato dimostrato che l’elevato MCE in
Gd5(Si1.8Ge2.2) è associato alla presenza di una complessa transizione
magnetico-strutturale del primo ordine. Fra i materiali magnetici, esistono
varie famiglie che presentano transizioni del primo ordine, sia di tipo
magnetico (indotte da campo e temperatura), che strutturale (come le
trasformazioni martensitiche). Le leghe di Heusler del tipo Ni2MnGa sono
materiali ferromagnetici a memoria di forma che raffreddando presentano una
transizione martensitica da una fase cubica a una fase a più bassa simmetria. Le
prinipali proprietà come struttura martensitica, temperatura di trasformazione e
anisotropia magnetica, possono essere modificate con cambi di composizione. E’
stato studiato l’ effetto magnetocalorico della lega di Heusler Ni 2+x Mn 1+y Ga
1+z e and Ni 2-w Mn 1.2+w Gao0.8 (w= 0-0.1) in relazione alla trasformazione
martensitica. Per entrambe le serie si è trovatoun intervallo stechiometrico in
cui la transizione magnetica e strutturale coincidono [1, 2]. E’ stato messo in
evidenza che tale condizione: transizione del primo ordine da un ferromagnete a
bassa simmetria a un paramagnete cubico è sfruttabile per elevare (fino a 4
volte) l’effetto magnetocalorico del sistema . In leghe ricche in Mn tale
coincidenza, corrispondente a un aumento di DS è stata anche indotta applicando
elevate pressioni idrostatiche [4]. I potenziali vantaggi offerti da questo
sistema a stechiometria variabile sono: la possibilità di variare la temperatura
delle transizioni (magnetica e strutturale) con la stechiometria, il costo
relativamente basso dei componenti e la facilità di preparazione.
La studio
ha dato risultati promettenti (1). Infatti, nel composto Ni2.19 Mn 0.81Ga, in
cui la transizione magnetica coincide con la trasformazione martensitica, si è
ottenuta una variazione DSmag di alcune decine di J/kgK, (Fig. 3), pari a quella
del composto GdSeSi, ma con un campo applicato notevolmente inferiore (2T).
Studi intesi sono in corso al fine di ottimizzare la variazione adiabatica di
temperatura in tale classe di materiali.
Il lavoro è stato condotto in
collaborazione con i Dipartimenti di Chimica e Fisica dell’Università di Parma e
con numerosi gruppi internazionali. E’ stato realizzato nell’ambito del progetto
PRITT della regione Emilia Romagna, progr. MISTER e di un progetto bilaterale
CNR-AVCR) con l’Istituto di Fisica dell’Accademia delle Scienze di Praga.
Immagine - Figura 1
Immagine - Figura 3
Documento - Figura 2