Magnetische Kühlung ist eine Kühltechnologie, die auf dem magnetokalorischen Effekt basiert. Mit dieser Technik können sowohl extrem niedrige Temperaturen als auch jene Temperaturbereiche erreicht werden, die in herkömmlichen Kühlschränken verwendet werden.

Ein magnetokalorisches Material wie etwa Gadolinium erwärmt sich, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Die Erwärmung ist auf Veränderungen im inneren Zustand des Materials zurückzuführen, die Wärme freisetzen. Wenn das Magnetfeld entfernt wird, kehrt das Material in seinen ursprünglichen Zustand zurück, nimmt die Wärme wieder auf und erreicht wieder seine ursprüngliche Temperatur. Um Kühlung zu erreichen, lässt man das Material zunächst seine Wärme abstrahlen, während es sich im magnetisierten heißen Zustand befindet. Durch Entfernen des Magnetfelds kühlt das Material dann unter seine ursprüngliche Temperatur ab.

Der Effekt wurde erstmals 1881 von dem deutschen Physiker Emil Warburg beobachtet, gefolgt vom französischen Physiker P. Weiss und dem Schweizer Physiker A. Piccard im Jahr 1917. Das grundlegende Prinzip wurde von P. Debye (1926) und W. Giauque (1927) vorgeschlagen. Die ersten funktionsfähigen magnetischen Kühlschränke wurden ab 1933 von mehreren Gruppen konstruiert. Die magnetische Kühlung war die erste Methode, die zur Kühlung unter etwa 0,3 K entwickelt wurde.

Für dieses Experiment benötigt man zwei starke Neodym-Würfelmagnete und einen Gadoliniumwürfel. Die Kantenlänge meiner Magnete beträgt 12 mm, jene des Gadoliniumwürfels 10 mm. Letzteren erhält man zum Beispiel auf ebay um rund 15 Euro.

Zur Messung der Temperatur verwende ich einen K-Type Temperaturfühler, den ich mittels Wärmeleitkleber am Gadoliniumwürfel fixiert habe.

Den Metallwürfel habe ich auf einer 1 cm schmalen Holzleiste festgeklebt.

Diese Leiste schiebe ich dann soweit in eine Führung, bis sich das Gadolinium genau zwischen den beiden Magneten befindet. Man könnte aber auch auf die Führung verzichten und den Gadoliniumwürfel einfach mit den beiden Magneten klemmen. Dies geschieht dann aber mit einer ziemlichen Wucht und es könnte passieren, dass sich dann das Gadolinium alleine durch den mechanischen Zusammenstoß erwärmt. Um dies zu vermeiden, berühren sich bei meiner Führung Gadolinium und Magnete daher nicht.

Damit das Kabel des Thermoelements mechanisch nicht belastet wird, habe ich es auf der Holzleiste festgeklebt:

Für die Holzteile griff ich zum Teil auf Matador (https://www.matador.at/) zurück:

Zum Schluss klebte ich einen kleinen Holzdeckel auf die Führung, damit sich die Leiste mit dem Gadoliniumwürfel auch wirklich nur nach vorne und zurück bewegen kann:

Der simple Versuchsaufbau und die Ergebnisse:

Die Starttemperatur lag bei 16.4 °C:

Nachdem der Gadoliniumwürfel ins Magnetfeld gebracht wurde, stieg die Temperatur auf 17.2 °C an:

Zum Schluss wurde der Gadoliniumwürfel wieder aus dem Magnetfeld entfernt. Die Temperatur sank dadurch auf 16.0 °C:

 

 

Das Youtube-Video reiche ich wie immer nach…