1. EFECTO MAGNETOCALÓRICO
EN MATERIALES CON TRANSICIÓN
DE SEGUNDO ORDEN
PABLO ALVAREZ ALONSO
DEPARTAMENTO DE FISICA
UNIVERSIDAD DE OVIEDO

2. CONTENIDOS
1- INTRODUCCION AL EFECTO MAGNETOCALORICO (EMC)
2- REFRIGERACION MAGNETICA (RM)
3- ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE MATERIALES CON ALTA
CAPACIDAD REFRIGERANTE (RCP)
3.1- CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
3.2- INTERMETALICOS CRISTALINOS Y NANOCRISTALINOS
R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
4- CONCLUSIONES

3. INTRODUCCION - el EMC
72
70
Gd
From CP(T)H=50 kOe
H=0-50 kOe
68
From CP(T)H=0
Tad, C
64
62
2.0
Tc
From M(H)T
1.6
SM (J/mol K)
S (J/mol K)
66
60
58
1.2
0.8
0.4
56
0.0
220 240 260 280 300 320
Temperature (K)
54
220
240
260
280
300
320
Temperature (K)
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

4. INTRODUCCION - la Prehistoria
Ann. Phys. Chem., vol. 13, 141-164 (1881)
Ann. Physik, vol. 81, 1154-1160 (1926)
P. Álvarez
J. Amer. Chem. Soc.,vol.49, 1864-1870 (1927)
9 de Marzo, 2011

5. INTRODUCCION – descubrimiento EMC gigante
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

6. INTRODUCCION – ecuaciones importantes
Paramagnetic
response
M near saturation
0
50
100
150
200
250
MCE (arb. units)
M (arb. units)
GdAl2
Cambio isotérmico de la
entropía magnética
 M(T,H)
S M (T,H )   
 dH
T  H
H1 
H2
300
Temperature (K)
 T M (T , H ) 
 dH
Tad (T , H )    
C 

T
H
H1  P
H2
Cambio adiabático de la temperatura
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

7. REFRIGERACION MAGNETICA- principio
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

8. REFRIGERACION MAGNETICA- RM vs RC
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

9. REFRIGERACION MAGNETICA- ventajas

Mayor eficiencia energética



Tecnología más respetuosa con el medio ambiente




20-30% más eficiente que la refrigeración tradicional
Reducción en el consumo de combustibles fósiles
Menos emisión de CO2
No emisiones directas al medio ambiente (no CFC’s, no HFC’s)
Uso de fluidos limpios para el intercambio de calor (agua,
anticongelantes)
Máquinas de construcción simple

No vibraciones ni ruidos
 Coste de mantenimiento bajo
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

10. REFRIGERACION MAGNETICA- aplicaciones

Consumidor






Aire acondicionado
Dehumidificadores
Neveras
Cavas refriadoras
Refrigeración motores
Comercial




Máquinas de vending
Enfriamiento de bebidas
Cámaras frigoríficas
Vitrinas y expositores
P. Álvarez

Electrónica


Medicina



Refrigeración activa de circuitos
electrónicos
Neveras portátiles
Imágenes de resonancia magnética
Ciencia


Licuefacción de H, He, Ni
Refrigeración criogénica
9 de Marzo, 2011

11. INTRODUCCION – optimización del EMC
¿Cómo optimizar el EMC ?
(a) ΔH elevado
(b) Elevado M
T
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalo
de trabajo
(e) Baja CP
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

12. INTRODUCCION – optimización del EMC
20
¿Cómo optimizar el MCE ?
GdPolycrystalline Gd
policristalino
(a) ΔH elevado
(b) Elevado
M
T
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalo
de trabajo
Magnetocalori effect, T (K)
18
T=TC
16
14
12
10
Pulsed field
Quasi-static field
Heat capacity
8
6
4
2
(e) Baja CP
T=90 K
0
0
2
4
6
8
10
Magnetic field (T)
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011
12

13. INTRODUCCION – optimización del EMC
¿Cómo optimizar el MCE ?
(a) ΔH elevado
(b) Elevado M
T
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalo
de trabajo
(e) Baja CP
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

14. INTRODUCCION – optimización del EMC
¿Cómo optimizar el MCE ?
RCP-1
(a) ΔH elevado
(b) Elevado M
T
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalo
de trabajo
RCP-2
RCP-3
(e) Baja CP
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

15. INTRODUCCION – optimización del EMC
¿Cómo optimizar el MCE ?
16
Pulse field
Data from ref. 6
Data from ref. 5
Data from ref. 9
(b) Elevado
M
T
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalo
de trabajo
(e) Baja CP
Magnetocaloric effect, T(K)
(a) ΔH elevado
12
H = 50 kOe
8
TC = 300 K
4
Gd policristalino
0
200
250
300
Temperature (K)
Polycrystalline Gd
B=7.5 Tesla
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011
350

16. CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
Fe91Zr7B2 (B2), Fe88Zr8B4 (B4), Fe87Zr6B6Cu1 (B6)
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

17. CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
Momento por atomo: 1.7 mB
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

18. CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

19. CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

20. INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
Hexagonal
Romboédricos
Grupo espacial : P63/mmc
Grupo espacial: R-3M
Estructura cristalina : Th2Ni17
Estructura cristalina: Th2Zn17
Y
Ce
Pr
Nd
Sm
Gd
Tb
P. Álvarez
Y
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
9 de Marzo, 2011

21. INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
Nd2Fe17
BM-10h
Nd2Fe17 Bulk
Nd2Fe17 BM-10h
Nd2Fe17 BM-20h
Nd2Fe17 BM-40h
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

22. INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
La estructura Th2Zn17 se
mantiene tras la molienda
Descenso de la intensidad
de los picos de difracción
Ensanchamiento de las
reflexiones de Bragg
Momentos magnéticos
situados en el plano de la
celda
Pr2Fe17
X-ray diffraction
P. Álvarez
Neutron diffraction
9 de Marzo, 2011

23. INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

24. INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
Er2Fe17
P. Álvarez
Nd2Fe17
9 de Marzo, 2011

25. INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

26. CONCLUSIONES
¿Con qué me quedo?
- El EMC es la variación de la entropía o de la temperatura
al variar el campo magnético.
- El EMC tiene potencial para refrigeración a temperatura
ambiente
- Tener un elevado SM y Tad, a la vez que un elevado
RCP.
- Los materiales con transición de segundo orden tienen un
RCP elevado junto con anchuras de SM(T,H) hasta de
200 K para H = 50 kOe

27. GRACIAS POR SU ATENCION

28. ANEXOS

29. INTRODUCCION
46oC
1976 Brown (NASA)
Campo: 7 T
Material magnético: Gd.
-1oC
G.V. Brown, J. Appl. Phys., vol. 47, 3673 (1976)
Fall 2001 Astronautics
Imán permanente: 1.4 T
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

30. AMORFOS: FeZrB
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

31. Difracción de polvo
Neutrones
 = 2.52 Å
2θ = *200, 1000]
Δθ = 0.20
T = [5 K, 820 K]
ΔT = 2 K/min
D1B
 = 1.594 Å
D2B
P. Álvarez
2θ = *50, 1600]
Δθ = 0.050
T = 300 K
9 de Marzo, 2011

32. - Elevada penetración en la muestra
Ventajas neutrones
- Distinguen isotopos
vs. XR
- Neutrones tienen momento (Magnetismo)
- El factor de dispersión es ~ constante
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011

33. - Distingue mejor las capas superficiales
Ventajas XR vs.
- Menor masa de las muestras
Neutrones
- Alta intensidad (ESRF: 1024 s-1.m-2 ; ILL: 1011 s-1.m-2)
- Mayor resolución energías
- Laboratorio
Fuentes de XR
Fuentes de
neutrones
P. Álvarez
- Sincrotrón
- Spallation
- Reactor
9 de Marzo, 2011

34. INTERMETALICOS CRISTALINOS Y
NANOCRISTALINOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
Masivos fabricados mediante horno de arco eléctrico:
MAM-1 (Edmund Bühler GmbH)
Fusión de los elementos varias veces
Pr2Fe17 y Nd2Fe17 BM preparadas mediante
molienda mecánica: high-energy planetary ball mill
(Retsch PM/400)
Relación masa de bolas - muestra = 8:1
Tiempo de molienda = 10, 20 y 40 h
5 min clockwise - 5 min anticlockwise – 5 min pausa
P. Álvarez
9 de Marzo, 2011