提到制冷，你首先会想到空调、冰箱压缩机。但你知道吗？有一种不靠制冷剂、不靠压缩循环的制冷黑科技，它的秘密藏在一块神奇的磁性材料里！凭借磁热效应，改变磁场就能实现吸热、放热，轻松完成制冷。没有传统冷媒，更加绿色环保，这块磁性材料，正在重新改写制冷行业的未来。
消失的磁场
生活中，磁性冰箱贴可以轻易附着于铁质的冰箱上，但无法贴附于铜质的门把手或水龙头。铁和铜对外加磁场呈现出了完全不同的反应，这种性质被称为磁性。
磁性取决于材料的微观结构。物质是由原子组成的，而原子包含了带正电荷的原子核和带负电荷的电子，运动的电荷会产生磁场。在物理学中，我们用磁矩衡量磁场的强度和方向。
在宏观世界里，电动汽车线圈中的电流产生磁矩，驱动转子旋转进而产生动力；在微观世界里，每个原子内部，电子在不同能级轨道的运动会产生轨道磁矩，电子的自旋会产生电子磁矩，原子核内质子的自旋会产生原子核磁矩。
为什么不同的材料会呈现不同的磁性呢？
每个原子都有自己的磁矩，当每个原子的磁矩有序排列、指向相同时，材料对外就会呈现出宏观的磁场，这种微观结构被称为铁磁相，例如磁铁。
如果把磁铁放到高温环境中，它产生的磁场就会衰退直至完全消失。这又是为什么呢？我们都知道布朗运动，它表明了分子存在随机无序的热运动。微观粒子都存在类似的热运动，温度越高，无序程度越大。如图所示，当温度足够高时，电子的无序热运动会使不同原子产生的磁矩方向不再相同，磁矩转变为随机无序排列，于是无法对外产生较强磁场，这种微观结构被称为顺磁相。只有外界施加足够强度的磁场，才能从顺磁相恢复到铁磁相。
磁能生热也能降温？
如图所示，对高于居里温度、处于顺磁相的材料施加磁场时，无序排列的磁矩会在磁场的作用下，重新恢复磁矩定向有序排列的铁磁相。
在这个磁矩无序到磁矩有序的过程中，电子无序热运动多余的动能被迫释放，这部分动能会加速原子的振动，宏观反映为材料温度上升；反之，退去磁场，从磁矩有序到无序的变化需要补充这部分动能，造成原子振动减速、材料温度降低。我们可以简单记忆为，磁化放热（材料升温）、退磁吸热（材料降温）。这种由于外加磁场变化使材料温度变化的效应称为磁热效应。
磁铁要保持铁磁相（有磁场），需要低于居里温度，才能对外提供磁场。而对我们能制冷的磁性材料来说，它的居里温度需要在制冷温度附近，才能利用外加磁场驱动的顺磁-铁磁相变实现制冷。即只有在居里温度附近才有铁磁-顺磁相变，有相变才有热效应（温度变化）从而制冷。
64号元素钆（Gd，读gá）的居里温度恰好为19摄氏度，为室温温区的制冷提供了可能；钆镓石榴石（Gd3Ga5O12）的居里温度约为2开尔文（零下271.15摄氏度），可用于低温制冷。
如何实现制冷？
单次退磁降温无法实现连续的制冷。我们需要一个热力学循环才能源源不断地将热量从低温搬运至高温，提供持续制冷。以极低温制冷为例，一个典型的磁制冷循环包含4个步骤：
美国物理化学家吉奥克曾因发明磁制冷装置，对低温材料热力学和热力学第三定律实验验证作出了卓越贡献，获得诺贝尔化学奖。
如今，磁制冷材料和磁制冷技术被广泛应用于航空、航天、医疗、电子、低温物理研究等领域。例如，为航天遥感传感器、量子计算机提供低温等。
传统的制冷方式，需要使用氟代烃制冷剂实现吸热、放热。但氟代烃易引发温室效应，例如，汽车空调使用的四氟乙烷分子引发的温室效应等效于1400个二氧化碳分子。为了抑制制冷剂引发的温室效应导致的气候变化问题，未来20年，我国承诺削减80%的氟代烃制冷剂。由于磁性材料不会挥发至大气引起温室效应，科学家也在研究室温温区的磁制冷冰箱和空调。希望在未来，绿色环保的磁制冷能走进千家万户。
责任编辑｜赵青云 原飞燕
运营编辑｜原飞燕
质量审核 | 李雅欣
图文来源 | 《知识就是力量》杂志《能制冷的神奇磁性材料》，撰文/钱苏昕（西安交通大学能源与动力工程学院），原文有删改，原创作品转载请注明来源。
知识就是力量
现订购2026年
定价360元
把一整年的知识抱回家！
热门跟贴