Мы знаем, что при некоторых условиях электрический ток может приводить к выработке тепла, а также поглощению его из окружающей среды — проще говоря, к охлаждению. 

Самый яркий пример таких систем — элементы Пельтье, которые позволяют только за счёт протекания электрического тока создать разность температур. 

Однако думали ли вы когда-нибудь о том, что подобный эффект может быть достижим и при помощи всего лишь магнитного поля? 

Такое возможно, и сам эффект известен под названием «магнитокалорического эффекта».

История вопроса

Первые эксперименты с охлаждением и нагреванием с использованием магнитного поля были проведены ещё в 1881 году, в трудах немецкого физика Эмиля Варбурга, который отмечал перемены в температуре железного образца, на которое воздействует магнитное поле — он писал, что при намагничивании железного экземпляра его температура растёт, в то время как при размагничивании температура падает. 

Тем не менее, несмотря на это наблюдение практическое использование этого открытия произошло не сразу. 

Следующим этапом в исследованиях этого вопроса явились эксперименты Поля Ланжевена в 1905 году, который смог доказать, что именно изменения намагниченности и приводят к изменению температуры образца. 

Несколько позже, уже в 1926–1927 годах, американские учёные Петер Дебай (Peter Debye) и Уильям Джиок (William Giaugue) независимо друг от друга предложили способ магнитного охлаждения как применимый для достижения криогенных температур. 

Первый же реальный опыт по получению впечатляющих температур с применением магнитного охлаждения был проведён тем же Уильямом Джиоком уже в 1933 году, в ходе которого удалось достичь температуры в -273,15°C (или 0,25 К). 

Для эксперимента использовалась, так называемая «парамагнитная соль» — Gd₂(SO₄)₃·8H₂O, представленная солью сульфата гадолиния, физически выполненная в виде спрессованной «таблетки», помещённой в медный контейнер.

В ходе эксперимента контейнер помещался в специальную ёмкость на некотором расстоянии от дна, будучи укреплённым на тонких удерживающих стойках. 

После чего контейнер заливался снаружи жидким гелием, который приводил к его охлаждению, что, в свою очередь, приводило к тому, что соль могла быть легко намагничена даже слабыми полями. 

Далее включали магнитное поле силой в 1Тл, что приводило к намагничиванию соли, в процессе которого она разогревалась. 

Её нагрев приводил к повышенному испарению гелия, газообразную фазу которого активно откачивали столь долго, чтобы между таблеткой, размещённой на некоторой высоте от дна и поверхностью жидкого гелия, образовалось некоторое расстояние, которое при активной откачке газовой фазы гелия превращалось в вакуумный термоизолирующий промежуток. 

Далее выключали магнитное поле, вследствие пропадания которого происходило охлаждение соли (глубинный механизм того, как происходит нагрев и охлаждение на атомном уровне мы разберём ниже).

Механизм охлаждения/нагрева магнитным полем

Некоторые вещества, в частности железо, обладают магнитной восприимчивостью, а само вещество, соответственно, называют «магнетиком». 

Общеизвестно, что вещество состоит из атомов, где вокруг ядра перемещаются электроны, вращающиеся как, собственно, вокруг самого ядра, так и вокруг своих осей, в процессе такого вращения генерируя собственное магнитное поле, таким образом представляя собой как бы миниатюрные магнитики.

При отсутствии внешнего магнитного поля пространственная ориентация полюсов таких магнитиков хаотична. 

Однако всё быстро изменяется при появлении такого поля: эти магнитики размещаются таким образом, чтобы выстроиться вдоль направления силовых линий магнитного поля. 

При этом, если внешнее магнитное поле исчезнет, то предыдущее хаотичное расположение полюсов магнитиков восстановится, то есть, другими словами, произойдёт размагничивание.

Изначальной причиной такой хаотизации является тепловое движение, нарушающее ориентацию атомов. Причём чем выше температура, тем выше уровень хаоса, достигающий предельной точки — температуры, при которой даже внешнее магнитное поле не может сориентировать атомы. Эта температура называется «точкой Кюри».

Таким образом, для обычных магнетиков можно сказать, что «выше точки Кюри они не магнитятся, в то время как ниже — магнитятся». 

Но есть интересные вещества, называемые «парамагнетиками», наподобие уже упомянутого выше сульфата гадолиния (а также чистого гадолиния), у которых точка Кюри отсутствует как таковая (в классическом смысле, как у магнетиков — об этом ещё будет подробнее ниже, так как тут кроется весьма любопытный момент), и они всегда чувствуют воздействие магнитного поля при любых температурах, даже близких к абсолютному нулю!

Кроме того, интересно и их взаимодействие с магнитным полем: чем ниже температура, тем лучше они реагируют на это поле.

Кстати, о реакции на магнитное поле: выше мы видели, что при воздействии магнитного поля происходит нагрев вещества — это связано с тем, что процесс упорядочения атомов представляет собой работу, на которую требуется потребление внешней энергии, в результате чего и происходит нагрев. 

В противовес этому при пропадании магнитного поля возвращение в первоначальное состояние относительного хаоса происходит за счёт внутренней энергии вещества, которая потребляется в ходе этого процесса, и, соответственно, температура вещества при этом падает. 

Таким образом, мы здесь видим любопытную техническую возможность: фактически, всё то, что происходит в классических холодильниках, здесь может быть реализовано с помощью всего лишь манипуляций с твёрдым телом!

Где фазу намагничивания можно условно сравнить с фазой сжатия в компрессоре (в классических холодильных системах), а фазу размагничивания — с фазой расширения в детандере. 

Такие системы обычно не обладают высокой промышленной производительностью, поэтому используются в различных лабораторных применениях для достижения криогенных температур.

Однако, возможно, это было бы интересной мыслью — попробовать применить такие миниатюрные охладители для оверклокинга и прочих подобных задач охлаждения греющихся компонентов микроэлектроники! 

Миниатюрно, манипуляция с помощью всего лишь магнитного поля — красота!

В теории это могло бы быть очень интересным стартапом! 

Посмотрим, есть ли существующие устройства на этом принципе...

Одним из относительно ближайших к нашему времени (и хорошо описанных) можно назвать созданный ещё в 1997 году довольно мощный холодильник на 600 ватт, показавший эффективность, даже несколько превзошедшую стандартные фреоновые холодильники, у которых эффективность составляет порядка 20–30% от цикла Карно, в то время как этот холодильник продемонстрировал 35% (то есть эта технология показала даже большую эффективность, чем стандартные холодильники).

Принцип работы такого холодильника заключается в следующем (ниже будет ссылка на схемы и описание):

• в кольцевой ёмкости находятся отсеки, в которых располагаются блоки из чистого гадолиния, омываемые теплоносителем;

• теплоноситель может поступать в отсек/удаляться из отсека, используя два отдельных контура: один контур служит для удаления нагретого теплоносителя после контакта его с намагниченным гадолинием (этот теплоноситель будет далее подан на теплообменник-радиатор для охлаждения), другой контур служит для поступления теплоносителя, который будет охлаждаться от размагничивающегося гадолиния;

• для соединения камер с гадолинием и рабочих контуров служат клапаны, срабатывающие точно в нужные моменты (в момент нахождения магнита напротив срабатывает один клапан, когда он отсутствует — другой клапан);

• вокруг этой кольцевой камеры вращается массивное кольцо из алюминия с магнитными вставками (1–2 шт. на кольцо) из постоянных магнитов (NdFeB);

• во время вращения магнитный сектор поочерёдно оказывается напротив каждой секции с гадолинием, воздействуя на них мощным магнитным полем (~5 Тл), что вызывает их нагрев, а также активное охлаждение после прохождения магнитного сектора и прекращения воздействия магнитного поля;

• установка работает при комнатной температуре 20–30°С и в качестве теплоносителя используется вода или смесь воды и пропиленгликоля (в соотношении 60/40).

Кстати, любопытный момент, почему был взят чистый гадолиний, а не его сульфид: дело в том, что гадолиний в чистом виде проявляет гораздо более сильные магнитокалорические свойства (в 2–3 раза более сильные, чем проявляет сульфид). 

Но и это ещё не всё: у парамагнетиков есть такая интересная штука (отсылка на этот момент и была упомянута выше, в части рассказа про точку Кюри), что если в случае классических магнетиков точка Кюри подразумевает отсутствие возможности магнитного поля воздействовать на упорядочение, то для парамагнетиков эта точка Кюри означает несколько иное: при этой температуре они проявляют наивысшую восприимчивость к внешнему магнитному полю!

И это как раз ещё одна, та самая причина, по которой был выбран чистый гадолиний: его точка Кюри находится как раз в районе 20 °C, то есть, воздействуя на него магнитным полем при комнатной температуре, мы можем получить максимальный отклик! Всё просто!

Таким образом, подытожим, что мы имеем:

• установка работает при комнатной температуре;

• не содержит сложных компрессоров и газов под давлением;

• практически не имеет в составе движущихся деталей, кроме простецких клапанов, а также простого электродвигателя для вращения кольца с магнитами;

• непрерывное вращение кольца с магнитами обеспечивает работу цикла постоянного охлаждения.

Просто, надёжно, эффективно...

Подробное описание этого устройства, а также его схемы можно найти в патенте на него. 

Описание (патент) примерно аналогичной системы можно найти здесь.

У прочитавшего всё это может возникнуть естественный вопрос: а зачем так сложно, нельзя ли использовать один из самых простых известных вариантов прямого преобразования электричества в разницу температур — элементы Пельтье?

Дело здесь в том, что эффективность элементов Пельтье в 3–5 раз меньше, чем у установок на гадолинии, в то время как последние превосходят элементы Пельтье по цене: до 1000$ на ватт против 3–5$ у Пельтье. 

И, естественно, возникает вопрос — а нет ли каких более дешёвых аналогов гадолиния? 

Да, в последнее время делаются попытки заменить дорогой гадолиний на более дешёвые аналоги, такие как пермаллой (железо-никелевый сплав), оксиды марганца и некоторые иные составы. 

Однако проблема заключается в том, что они показывают эффективность только приблизительно до 2/3 (максимум) от той эффективности, которую демонстрируют установки на гадолинии (соответственно, обеспечивая и меньший температурный перепад, чем последние).

Таким образом, альтернативные конструкции пока остаются на уровне лабораторных прототипов... 

Подытоживая, можно сказать, что сам по себе принцип получения низких температур с помощью магнитных полей видится довольно интересным, так как такие установки требуют минимум движущихся частей, могут работать без использования опасных газов и жидкостей под давлением, а, соответственно, являются весьма экологичными и компактными. 

Всё это вместе заставляет более внимательно присмотреться к этой технологии — что, собственно, и делают многие компании. 

В этой связи, ввиду перспективности технологии, даже относительная дороговизна гадолиния, по большому счёту, не является проблемой — скажем, для охлаждения миниатюрных микросхем достаточно весьма маленьких охлаждающих установок. А вы что думаете о таких устройствах? ;-)

P.S. Ну и напоследок — видео, где можно увидеть, как выглядит гадолиний, эксперимент с помещением в магнитное поле, а также (с 2:54) наглядно показано, как может выглядеть магнитокалорический холодильник. Видео на английском, поэтому его с параллельным синхронным голосовым переводом можно посмотреть в известном браузере.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»