preparazione e caratterizzazione di composti intermetallici rt3 e studio delleffetto magnetocalorico...
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PREPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI PREPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI COMPOSTI INTERMETALLICI RT3 E STUDIO COMPOSTI INTERMETALLICI RT3 E STUDIO
DELL’EFFETTO MAGNETOCALORICO IN DELL’EFFETTO MAGNETOCALORICO IN CORRISPONDENZA DI TRANSIZIONI CORRISPONDENZA DI TRANSIZIONI
MAGNETICHEMAGNETICHE
Laureando: Pierpaolo LupoRelatore: Massimo SolziCorelatore: Nicola Magnani
Anno Accademico 2005/2006 Corso di Laurea triennale in Scienza e Tecnologia dei Materiali
Titolo dell’elaborato finale:
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PARMAFACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN.
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Risposta termica di un materiale magnetico ad una Risposta termica di un materiale magnetico ad una variazione del campo magnetico applicato variazione del campo magnetico applicato Si manifesta con una variazione della temperatura, all’ Si manifesta con una variazione della temperatura, all’ accensione o spegnimento di campo magnetico.accensione o spegnimento di campo magnetico.E’ maggiore in presenza di transizioni magnetiche E’ maggiore in presenza di transizioni magnetiche Fu scoperto da Warburg nel 1881Fu scoperto da Warburg nel 1881Nel 1926 Giaque e Debye diedero una spiegazione teoricaNel 1926 Giaque e Debye diedero una spiegazione teoricaNel 1933 Giaque e Mc Dougall crearono la prima Nel 1933 Giaque e Mc Dougall crearono la prima macchina per la refrigerazione utilizzando un paramagnete.macchina per la refrigerazione utilizzando un paramagnete.Pecharsky e Gschneider, nel 1997, scoprirono un grande Pecharsky e Gschneider, nel 1997, scoprirono un grande MCE nelle leghe di gadolinio (Gd)MCE nelle leghe di gadolinio (Gd)Nel 1998 primo prototipo di macchina refrigeranteNel 1998 primo prototipo di macchina refrigerante nei laboratori della Astronautics (Zimm).nei laboratori della Astronautics (Zimm).
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Individuare nuovi materiali che manifestino un elevato MCE vicino a temperatura ambiente, con piccole “spazzate” di campo magnetico.
Studiare la variazione di entropia in corrispondenza di particolari transizioni di fase magnetica nelle quali la variazione è massima.
Studiare, in particolare, composti intermetallici RT3, in cui sono presenti diverse le transizioni magnetiche.
dT
dM
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Tutti i composti dei metalli con le terre rare sono definiti intermetalli.Terre rare pesanti, terre rare leggereVantaggi degli intermetallici
Le interazioni in composti intermetallici sono di tre tipi
Terra rara- terra rara
Molto deboleTerra rara- metallodefinisce l’accoppiamento deisottoreticoli magnetici
Metallo- metalloPiù forte, influenza la Tc
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ErFe3
Tc=551K; Tcomp=224K
Ho0.5Er0.5Fe3
Tc=560K;Tcomp=303K
Ferromagnete – paramagnete avviene alla temperatura di Curie (Tc). Transizione ordine- disordine.Secondo ordine Transizioni in ferrimagneti alla temperatura di compensazione (Tcomp). Transizione ordine- ordine.Primo ordine.
Materiali studiati:
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Forno ad arco
Annealing:trattamento termico in atmosfera inerte.
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TMAAnalisi termomagnetica sopra dei 273K. Variazione di flusso magnetico indottain una coppia di bobine pick-up
Suscettometro ACAnalisi termomagnetica fino A 5K.
SQUID (superconducting quantum interference device).Elevata sensibilità che permette di misurare variazioni nella corrente di pick-up pari ad una parte su un milione e quindi avere una misura della magnetizzazione altrettanto accurata.Magnete superconduttore in elio liquido.
Magnetometro a pendolo stazionarioIl campione appeso ad un’asta è posto in uncampo magnetico non uniforme.La forza necessaria a stabilizzare l’asta è proporzionale alla magnetizzazione
SPD (Singular Point Detection ) in campo pulsatoPermette di misurare il campo d’anisotropia per campioni policristallini fino alla temperatura dell’azoto liquido.
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Misure magnetiche I
TERMOMAGNETICHE
H
HTMT
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)(
TMASuscettometro AC
fig.5. Suscettività vs temperatura ErFe3
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Misure magnetiche II
T
M
MAGNETIZZAZIONE ISOTERMA
SQUID
MAGNETOMETRO APENDOLO STAZIONARIO
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Misure magnetiche III
ANISOTROPIA IN CAMPO PULSATO
SPD
Fig.10. SPD di ErFe3
H=HA
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Tc 1:3 (K) Tc 6:23 (K) Tc Fe (K) Tcomp 1:3 (K)
ErFe3 551 (552) 501 1044 (1043) 224 (228)
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Tc 1: 3 (K) Tc 6: 23 (K). Tc Fe (K) Tcom 1:3 (K)
Ho0.5 Er0.5Fe3. 560 508,5 1044 (1043) 303
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Variazioni della Variazioni della TTcomp in funzione del comp in funzione del campo applicato per ErFe3campo applicato per ErFe3
100 Oe 10000 Oe
235 K 225 K
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MISURE DI MCE ALLA TcompMisure dirette sono realizzate attraverso la misura della temperatura del campione sottoposto ad un campo magnetico HI e HF, in condizioni adiabaticheMisure indirette consistono nel calcolare da misure di magnetizzazione effettuate per differenti isoterme in funzione di H variabile tra HI e HF
HM TS )(
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HTMHTS
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H
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MISURE DI MCE ALLA Tcomp
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MCE temperatura di Curie
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Passaggio tra due fasi ordinate ferrimagneticheBassa variazione dell’entropia, positiva. Basso effetto magnetocalorico, inverso.Picco “asimmetrico”, funzione a gradino L’olmio nella struttura dell’ErFe3 ha incrementato la variazione dell’entropia Fattori “mitiganti”: presenza di fasi spurie nel materiale
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C
M T
HS
Transizione del primo ordineTransizione del primo ordine
TComp(K)
( 0.01T)
Tcomp(K)(1T) i(emu/gr) f(emu/gr)
ErFe3 235 225 47,57 46,19
ΔS(emuT/grK) massa(gr)
ErFe3 0,136 0,010
ΔS(ErFe3 ): 0,11 J/KgK
ΔS (Ho0.5Er0.5Fe3
:0,3J/KgK.Campo variabile da 0-2T
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CONCLUSIONITransizione alla temperatura
ambienteMCE<0, inverso
MCE non zero in ampio intervallo di temperaturaControllo della Tcomp
stechiometricoBasso costo e facilità di
produzione
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RINGRAZIAMENTI Prof. Massimo Solzi (Dip. Fisica)Prof. Massimo Solzi (Dip. Fisica)
Dott. Nicola Magnani (IMEM-CNR Parma)Dott. Nicola Magnani (IMEM-CNR Parma)
Dott. Luigi Pareti (IMEM-CNR Parma)Dott. Luigi Pareti (IMEM-CNR Parma)
Dott. Antonio Paoluzi (IMEM-CNR Parma)Dott. Antonio Paoluzi (IMEM-CNR Parma)
Dott.ssa Franca Albertini (IMEM-CNR Parma)Dott.ssa Franca Albertini (IMEM-CNR Parma)
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S
T0 T1
T
A H0
D
H1
B
C
Pierpaolo:A-B magnetizzazione il materiale subisce una variazione di entropia
B-C il calore è trasferito dal materiale all’esterno
C-D demagnetizzazione aumento di entropia
D-A assorbimento di calore dall’ambiente interno.
Pierpaolo:A-B magnetizzazione il materiale subisce una variazione di entropia
B-C il calore è trasferito dal materiale all’esterno
C-D demagnetizzazione aumento di entropia
D-A assorbimento di calore dall’ambiente interno.
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fe % atomica di Erbio Er
1600 L
1200
800
1315°C 1330°C
1355°C 1345°C
1385°C 1360°C
915°C