CH485364A - Vorrichtung für die Umwandlung von Energie einer Form in Energie einer anderen Form - Google Patents

Vorrichtung für die Umwandlung von Energie einer Form in Energie einer anderen Form

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CH485364A
CH485364A CH363863A CH363863A CH485364A CH 485364 A CH485364 A CH 485364A CH 363863 A CH363863 A CH 363863A CH 363863 A CH363863 A CH 363863A CH 485364 A CH485364 A CH 485364A
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CH363863A
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James Swoboda Thomas
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Du Pont
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/012Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials adapted for magnetic entropy change by magnetocaloric effect, e.g. used as magnetic refrigerating material
    • H01F1/017Compounds

Description


  Vorrichtung für die Umwandlung von Energie einer Form in Energie einer anderen Form    Im schweizerischen Patent Nr. 434 440 ist eine Vor  richtung zur Umwandlung von Energie von einer Form  in eine andere Form, mit mindestens einer magnetischen  Komponente, Mitteln zur Zuführung von Energie einer  Form zu der magnetischen Komponente und Mitteln zur  Abnahme der Energie in einer anderen Form von der  magnetischen Komponente angegeben, die dadurch ge  kennzeichnet ist, dass die magnetische Komponente eine  plötzliche und reversible Zunahme der Sättigungsinduk  tivität bei einer Temperatur unter ihrem Curie-Punkt  aufweist.  



  Die vorliegende Erfindung schafft als Weiterbildung  der im Hauptpatent beschriebenen Vorrichtung eine  Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die  magnetische Komponente eine Änderung ihrer     Grössen-          abmessung    bei einem Temperaturwechsel unterhalb ihres  Curie-Punktes erfährt, und dass ein an der magnetischen  Komponente anliegendes Glied vorgesehen ist, dessen  relative Bewegung von der Veränderung der     Grössen-          abmessung    der magnetischen Komponente abhängt.  



  Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise be  schrieben.  



  Die Zeichnung zeigt eine graphische Darstellung, die  die durch Erhitzen und/oder Anwendung eines magneti  schen Feldes     hervorgebrachte    Änderung der Abmessun  gen zeigt, die bei einer magnetischen Komponente einer       erfindungsgemässen    Vorrichtung eintreten.  



  Zu den Materialien, die für magnetische Komponen  ten in den     erfindungsgemässen    Vorrichtungen brauch  bar sind, gehören Materialien, wie sie vollständiger in  der schweizerischen Patentschrift Nr. 418 479 beschrie  ben sind und die mindestens zwei aus den Gruppen BV,  BIV und BVII des periodischen Systems der Elemente ge  wählte Übergangselemente, von denen mindestens eines  aus der ersten Reihe der genannten Übergangselemente  entnommen ist, und mindestens ein aus den Elementen  der Gruppe     A'-    Arsen, Antimon und Wismut gewähltes  Element enthalten und die bei einer Temperatur unter  halb des Curiepunktes des Materials eine maximale  Sättigungsinduktion aufweisen.

      In diesen Materialien bilden das oder die Elemente  der     Gruppe    A" 5 bis 40 Atomprozent des Ganzen und  sind im allgemeinen im Bereich von 5 bis 35 Atom  prozent vorhanden. Es versteht sich, dass mindestens  eines der Elemente der Gruppe A" Arsen, Antimon und  Wismut stets in den Materialien vorhanden ist. Stick  stoff und Phosphor können ebenfalls vorhanden sein.

    Von den restlichen Bestandteilen bilden die Übergangs  metalle der Gruppen BV, BVI, BVII des periodischen  Systems, d. h. mindestens zwei der Elemente Vanadium,  Chrom, Mangan, Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und  Rhenium, von denen mindestens eines der Elemente  Vanadium, Chrom und Mangan vorhanden ist, 35 bis  95 Atomprozent, wobei jegliches andere vorhandene  Element ein Metall aus den Gruppen II bis IV des pe  riodischen Systems in einer Menge von nicht mehr als  30 Atomprozent vorhanden ist. Geeignete Beispiele der  artiger anderer Elemente sind Cadmium, Gallium, In  dium, Blei, Thallium, Zinn, Zirkonium, Scandium,  Yttrium, Magnesium und Zink. Gewöhnlich bildet eines  der oben aufgezählten Übergangsmetalle den Hauptteil  des Gehaltes des Materials an Übergangsmetall, wäh  rend das zweite Übergangsmetall in einer geringeren  Menge vorhanden ist.

   Jedoch ist der Gehalt an dem  zweiten     Übergangsmetall    in keinem Fall geringer als  0,1 Atomprozent, bezogen auf das gesamte Material.  



  Das periodische System der Elemente, auf das hier  Bezug genommen wird, ist in Deming,  General     Chemi-          stry ,    John Wiley  &  Sons, Inc., 5. Ausgabe, Kap. 11,  enthalten.  



  Materialien, die für magnetische Komponenten be  sonders brauchbar sind, enthalten Antimon, Mangan  und mindestens ein zusätzliches     übergangsmaterial,    ins  besondere Chrom, Vanadium, Molybdän oder Niob, und  gewünschtenfalls ein oder mehrere zusätzliche Elemente,  die aus der aus     Indium,    Cadmium, Blei,     Zirkonium,     Zinn, Gallium,     Thallium,        Scandium,        Yttrium,    Magne  sium und Zink bestehenden     Gruppe    gewählt sind.  



  Beispiele von brauchbaren Materialien sind diejeni  gen, die 5 bis 40 Atomprozent Antimon, 35 bis 91,9      Atomprozent Mangan und mindestens eines der Ele  mente Chrom und Vanadium in einer Menge von 0,1  bis 38,5 Atomprozent sowie gewünschtenfalls eines der  Elemente Cadmium, Gallium, Indium, Blei, Thallium,  Zinn, Zirkonium, Scandium, Yttrium, Magnesium und  Zink in einer Menge von 0 bis 30 Atomprozent enthal  ten, wobei die Prozentwerte so gewählt sind, dass sie  insgesamt 100 % ergeben.  



  Andere brauchbare Materialien enthalten 5 bis 35  Atomprozent Antimon, 25 bis 75 Atomprozent Man  gan, 0,1 bis 50 Atomprozent mindestens eines der Ele  mente Molybdän und Niob sowie gewünschtenfalls 0 bis  30 Atomprozent eines der Elemente Cadmium, Gallium,  Indium, Blei, Thallium, Zinn, Zirkonium, Scandium.  Yttrium, Magnesium und Zink.  



  Die vorstehenden Materialien können durch die For  mel MnaXbZcSbd beschrieben werden, wobei X Chrom,  Vanadium. Molybdän oder Niob, Z Indium, Cadmium,  Gallium, Blei, Thallium, Zinn, Zirkonium, Scandium,  Yttrium, Magnesium oder Zink und a, b, c und d die  Atomverhältnisse der verwendeten Elemente bedeuten  und so gewählt sind, dass prozentuale Zusammensetzun  gen innerhalb der oben angegebenen Bereiche erhalten  werden. Materialien, in denen X und/oder Z eine Kom  bination von zwei oder mehr Elementen darstellen, kön  nen ebenfalls in den erfindungsgemässen Vorrichtungen  verwendet werden.  



  Besonders brauchbare Materialien sind diejenigen,  die 53,5 bis 91,9 Atomprozent Mangan, 8 bis 35 Atom  prozent Antimon und 0,1 bis 38,5 .Atomprozent eines  zusätzlichen Elementes, das aus der Gruppe Chrom,  Vanadium und Gemische derselben gewählt ist, enthal  ten. Diese Materialien können durch die     Formei     MnaXbSbd beschrieben werden, wobei X Chrom und/  oder Vanadium und a, b und d die oben angegebenen  Atomverhältnisse der Elemente bedeuten und a, b und  d insgesamt 1 ergeben. Besonders brauchbare Materia  lien haben die Formel Mn2-xXxSb, wobei x 0,003 bis  0,41 bedeutet und es sich versteht, dass die Summe der  unteren Indices von Mn, X und Sb 3 beträgt.  



  Andere brauchbare Materialien sind diejenigen, die  5 bis 35 Atomprozent Antimon, 35 bis 70 Atomprozent  Mangan, mindestens eines der Elemente Chrom und  Vanadium in einer Menge von 0,8 bis 25 Atomprozent  sowie eines der Elemente Cadmium, Gallium, Indium,  Blei, Thallium, Zinn, Zirkonium, Scandium, Yttrium.  Magnesium und Zink in einer Menge von 0 bis 30  Atomprozent enthalten, wobei die Prozentwerte so ge  wählt sind, dass sie insgesamt 100     0.'o    ergeben.  



  Eisen-Rhodium-Legierungen sowie     Eisen-Rhodium-          Legierungen,    die bis zu 20 Atomprozent, beispielsweise  Mangan, Ruthenium, Iridium, Palladium, Silber, Gold  und Platin, enthalten, sind ebenfalls brauchbar. Geeig  nete Legierungen sind die von Fallot, Revue     Scienti-          fique    77, 498 (1939), Kouvel et al, General Eletric  Research Report No. 61-RL-2870M und von P. H. L.  Walter in den US-Patentschriften Nr. 3 140 941 und  Nr. 3 140 942     beschriebenen.     



  Weitere Materialien, die verwendet werden können,  enthalten Mangan in einer Menge von mindestens 40  Atomprozent, einen aus den Elementen Eisen, Kobalt,  Nickel, Kupfer und Zink gewählten zweiten metallischen  Bestandteil in einer Menge von 6 bis 25 Atomprozent  und mindestens eines der Elemente Arsen, Antimon und  Wismut in einer Menge von 25 bis 40 Atomprozent.  Zusätzliche Bestandteile, die aus den Elementen der  Gruppe AIII, BIII, AIV, BIV gewählt sind, können in einer    Menge von 0 bis 12,5 Atomprozent ebenfalls vorhan  den sein. Diese Materialien sind vollständiger in der     US-          Patentschrift    Nr. 3 126 345 beschrieben.  



  Andere Materialien, die brauchbar sind, sind in der  US-Patentschrift Nr. 3 126 346 beschrieben. Diese Ma  terialien enthalten ein einziges Übergangsmetall, näm  lich Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder  Nickel, in einer Menge von 61 bis 75 Atomprozent und  25 bis 39 Atomprozent mindestens zweier Elemente, die  aus Gallium, Germanium, Selen, Tellur, Arsen, Antimon  und Wismut gewählt sind. von denen mindestens die  überwiegende Menge in Atomprozent aus Arsen, Anti  mon und/oder Wismut besteht.  



  Andere besonders     wünschenswerte    Materialien sind  Mangan-Antimonarsenid und     Mangan-Germaniumanti-          monid,    die 61 bis 75 Atomprozent Mangan, bis zu 20  .Atomprozent .Arsen oder Germanium und als Rest An  timon enthalten. Weitere     wünschenswerte        Materialien     sind Mangan-Kobaltantimonid,     Mangan-Zinkantimo-          nid    und Eisen-Rhodium-Legierungen. Wie oben ange  geben, kann das     Vorhandensein    von zusätzlichen Ele  menten in dem Material manchmal eine günstige Wir  kung haben.  



  Es ist für gewisse Anwendungen wünschenswert,  dass der ferromagnetische Übergang bei niedriger Tem  peratur über ein kleines Temperaturintervall eintritt und  eine grosse Änderung der Sättigungsinduktion hervor  ruft. Der Temperaturbereich, über den der Übergang  eintritt, wird natürlich durch Änderungen der Zusam  mensetzung der magnetischen Phase beeinflusst und  kann so eingestellt werden, dass er für eine spezielle       Vorrichtung    geeignet ist. Die brauchbarsten Materialien  weisen unterhalb der unteren  ferromagnetischen  Tem  peratur eine Sättigungsind@ktion auf, die nicht mehr als  ca. 1/10 der maximalen Sättigungsinduktion oberhalb die  ser Temperatur beträgt.  



  Für viele Vorrichtungen ist ein Material, das eine  sehr scharfe Zunahme der     Sättigungsinduktion    aufweist,  erwünscht. Der     Temperaturbereich,    über den die Zu  nahme der     Sättigungsinduktion    eintritt, kann leicht auf  das Mindestmass herabgesetz werden, indem das Ma  terial in Einkristallform erzeugt oder indem es abge  schreckt und getempert wird. wie es in der US-Patent  schrift Nr. 3 196 055 beschrieben ist. Dieses Verfahren  umfasst das Abschrecken des geschmolzenen Materials  auf eine Temperatur unterhalb seiner Verfestigungstem  peratur, das Tempern bei einer höheren Temperatur un  terhalb der Verfestigungstemperatur und das langsame  Abkühlen.

   Gewünschtenfalls kann dem geschmolzenen  Material vor dem Abschrecken ein Reagenz, das mit  Chalcogenen zu reagieren vermag, z. B. Aluminium, zu  gesetzt werden.  



  Die genannten Materialien können durch Erhitzen  von Gemischen der Elemente oder Verbindungen und  Legierungen derselben auf eine Temperatur im Bereich  von 600 bis 1500  C oder mehr hergestellt werden. Für       Mangan-Chrom-        und/oder        Vanadiumantimonide    werden  gewöhnlich Temperaturen von 600 bis<B>1050</B>  C oder  vorzugsweise 700 bis 975     'C    verwendet. Temperaturen  von mindestens 850 \C sind im allgemeinen erforderlich.  wenn das Material geschmolzen werden soll.  



  Die Herstellung eines typischen, in den     erfindungs     gemässen Vorrichtungen brauchbaren Materials     wird        ii     den folgenden Abschritten beschrieben.  



  A. Ein inniges Gemisch von Mangan, Chrom, Ir       dium    und Antimon (55,5, 11,1, 16,7 bzw. 16,7     Aton     Prozent) in feinzerteilter Form wurde in ein     Ouarzrol         gebracht, das dann evakuiert und zugeschmolzen wurde.  Das Rohr wurde in einen Ofen bei 910  C gebracht und  22 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Das  Quarzrohr wurde dann aus dem Ofen entfernt, schnell  in Luft abgekühlt und geöffnet. Das Produkt war ein  metallisch aussehender Klumpen, der bei 62'C eine  maximale Sättigungsinduktion sowie obere (Curie-Punkt)  und untere ferromagnetische Übergangstemperaturen  von 238  C bzw. =20  C aufwies.  



  Zur Reinigung wurde ein Teil des Klumpens in  einem Achatmörser gemahlen und mit zwei Chargen von  20 Gew.-% wässriger Weinsäure behandelt, gefolgt von  einer Behandlung mit einer Lösung von 0,5 Gew.-%  Picrinsäure und 3 Volumenprozent konzentrierter Salz  säure in absolutem     Äthanol.    Nach jeder dieser Behand  lungen wurde die getrocknete Festsubstanz in einem ma  gnetischen Feld bewegt, um magnetisches von nicht  magnetischem Material zu trennen. Das gereinigte Pro  dukt gab das folgende Röntgenbeugungsdiagramm (nach       Subtraktion    schwacher Reflexe, die durch das Vorhan  densein von Spuren Antimon, Indium und     Indium-          antimonid    hervorgerufen wurden).  



  Netzebenenabstände sind in  ngström-Einheiten ( )  angegeben. Die relativen Intensitäten sind     folgender-          massen    bezeichnet: S bezeichnet die stärkste registrierte  Linie; M,,     1I1    und     XI,    sind Linien mit mittlerer In  tensität mit fortschreitend abnehmender Intensität; F  bedeutet, dass die Linie schwach ist; VF und VVF be  deuten sehr schwach bzw. ausserordentlich schwach.

    
EMI0003.0008     
  
    Röntgenbeugungsdiagramm
<tb>  von <SEP> Chrom-Indium-Manganantimonid
<tb>  Netzebenenabstände <SEP> Relative <SEP> Intensitäten
<tb>  6,5 <SEP> VVF
<tb>  3,46 <SEP> M2
<tb>  3,26 <SEP> M4
<tb>  2,89 <SEP> M2
<tb>  2,64 <SEP> M3
<tb>  2,16 <SEP> S
<tb>  2,04 <SEP> M1
<tb>  1,954 <SEP> VVF
<tb>  1,921 <SEP> VF
<tb>  1,757 <SEP> F
<tb>  1,729 <SEP> F
<tb>  1,630 <SEP> VF
<tb>  1,186 <SEP> NI.,
<tb>  1,443 <SEP> M,
<tb>  1,420 <SEP> VVF
<tb>  1,398 <SEP> F
<tb>  1,331 <SEP> VVF
<tb>  1,320 <SEP> F
<tb>  1,290 <SEP> VF
<tb>  1,273 <SEP> M4
<tb>  1,265 <SEP> VVF
<tb>  1,242 <SEP> VVF
<tb>  1,216 <SEP> VVF
<tb>  1,200 <SEP> M2
<tb>  1,190M4       Eine tetragonale Struktur von Cu2Sb-Typ mit Ele  mentarzellenkonstanten ao = 4,08   und co = 6,51    ist mit diesen Daten in Obereinstimmung.  



  B. Eine zweite Probe wurde wie oben beschrieben  hergestellt, wobei ein Erhitzungszyklus von 20 Stunden  bei 920 bis 925     '-C        verwendet    wurde. Diese Probe wies  bei 58'C maximale Sättigungsinduktion auf und hatte  eine Curietemperatur von 243 bis 246 C. Nach Reini-    gung durch Extraktion der Reihe nach mit     Picrinsäure-          konzentrierter    Salzsäure in Äthanol und mit 5%iger  wässriger Schwefelsäure und durch magnetische Schei  dungen wurden die magnetischen Eigenschaften in einem  Feld von 2000 Örsted bestimmt. Die Sättigung pro  Gramm, 08, betrug bei 65 C über 20 Gauss cm3/g. Die  Induktionskoerzitivkraft, @j, betrug bei 2,5'C 127  Örsted und bei 31  C 166 Örsted.

   Die chemische Ana  lyse des gereinigten Produktes lieferte die folgenden Er  gebnisse (ausgedrückt in Gewichtsprozent): Sb 41,47,  In 14,01, Mn 38,70 und Cr 0,84 0,89. Diese Analyse  entspricht Mn1,53, Cr0,40, In0,26, Sb0,74. Andere Elemente,  deren Vorhandensein bewiesen wurde, waren O (durch  direkte Analyse) 1,49 %, Pb 0,2 bis 1,0 %, Sn 0,2 bis  1,0 %, Cu 200 bis 1000 Teile pro Million, Ni 300 bis  500 Teile pro Million und Si 100 bis 500 Teile pro  Million.  



  C. Eine dritte Probe wurde hergestellt, wobei ein  Erhitzungszyklus von 6 Stunden bei 800 bis 820 C  verwendet     wurde.    Einkristalle wurden isoliert, indem sie  von dem aus der Reaktion erhaltenen Klumpenprodukt  abgespaltet wurde. Diese Kristalle wiesen bei 70  C eine  maximale Sättigungsinduktion auf und hatten bei dieser  Temperatur eine Sättigung pro Gramm,     a,,    von 26 Gauss  cm3/g, gemessen in einem Feld von 14 400 Örsted. Die  Magnetisierung in dem obigen Feld gegen die Tempe  ratur war gleich, gleichgültig ob die Kristalle mit den  Spaltebenen rechtwinklig oder parallel zum Feld orien  tiert waren, und zeigte keine thermische Hysteresis. Die  Änderung der Magnetisierung mit der Temperatur im  Bereich der unteren ferromagnetischen Übergangstem  peratur war sehr schnell.  



  Im vorstehenden wird auf zwei magnetische Eigen  schaften, die für die technische Verwendbarkeit der Ma  terialien wichtig sind, Bezug genommen, nämlich auf  die Induktionskoerzitivkraft, H@i, und die Sättigung pro  Gramm oder der Sigmawert, os. Die Definition der     In-          duktionskoerzitivkraft    wird in der technischen Spezial  veröffentlichung Nr. 85 der American Society for Testing  Materials mit dem Titel  Symposium an Magnetic  Testing  (1948), Seiten 191-198, gegeben. Die in dieser  Beschreibung gegebenen Werte der     Induktionskoerzitiv-          kraft    werden mit einem ballistischen Galvanometer be  stimmt; dies ist eine abgeänderte Form des durch Davis  und Hartenheim in Review of Scientific Instruments, 7,  147 (1936), beschriebenen Apparates.

   Der Sigmawert,  ay, ist auf den Seiten 7 und 8 in Bozorth,      Ferro-          magnetism ,    Van Nostrand Co., New York, 1951, de  finiert. Dieser Sigmawert ist gleich der     'Iagnetisierungs-          stärke,    I@. geteilt durch die Dichte, d, des Materials. Die  in dieser Beschreibung angegebenen Sigmawerte sind auf  einem ähnlichen Apparat wie dem von T. R. Bardell auf  Seiten 226-228 in  Magnetic Materials in the Electric  Industry , Philosophical Library, New York, 1955, be  schriebenen bestimmt.  



       Eigenschaften   <I>der Materialien</I>  Die beschriebenen ferromagnetischen Materialien  sind durch eine scharfe und reversible Zunahme der  Sättigungsinduktion mit der Temperaturerhöhung bei  einer Temperatur unterhalb des Curie-Punktes gekenn  zeichnet. Die Temperatur, bei der diese Zunahme ein  tritt, wird oft als die untere ferromagnetische Übergangs  temperatur bezeichnet, um sie von der oberen     über-          gangstemperatur    oder dem     Curie-Punkt    zu unterschei  den.

   Die ungewöhnliche Abhängigkeit der     Magnetisie-          rung    von der Temperatur bei der unteren L\bergangs-      temperatur ergibt sich, wie man annimmt, aus einem  Übergang von einem antiferromagnetischen Zustand in  einen ferromagnetischen Zustand. Demgemäss nimmt  man an, dass bei der Übergangstemperatur der gesamte  quantenmechanische Austausch zwischen benachbarten       Teilgittern    das Vorzeichen ändert, und man nimmt fer  ner an, dass diese Austauschinversion der beobachteten  Änderung der magnetischen Eigenschaften zugrunde  liegt.

   Der Übergang ist ein Übergang nach der ersten  Ordnung von fester Phase zu fester Phase unter Beibe  haltung der Kristallsymmetrie, und jedes magnetische  Material, das einen derartigen Übergang aufweist, kann  erfindungsgemäss verwendet werden.  



  Zusätzlich zu der Zunahme der Sättigungsinduktion  mit der Temperaturerhöhung bei der Temperatur der  Austauschinversion weisen die Materialien Änderungen  anderer Eigenschaften auf, die als Grundlage für das  Arbeiten der Vorrichtungen     verwendet    werden können.  Vorzugsweise nimmt die Sättigungsinduktion mindestens  fünffach und noch bevorzugter mindestens zehnfach zu.  Gleichzeitig ändert sich der spezifische elektrische Wi  derstand um mindestens 10     0;'o,    vorzugsweise 20 01o, und  die Kristallabmessungen um mindestens 0,1 0/o, vorzugs  weise 0,2 0''o. Andere Eigenschaften ändern sich bei der  Temperatur der Austauschinversion in entsprechender  Weise.

   Zur Erläuterung werden unten für     Mangan-          Chrom-    und Mangan-Vanadiumantimonide repräsenta  tive Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen dis  kutiert. Wie vorstehend angegeben, können diese Ma  terialien gewünschtenfalls zusätzliche Elemente, z. B.  Indium, enthalten.  



  Für Materialien, die im feldfreien Raum oder in  einem sehr geringen magnetischen Feld eine Austausch  inversion oberhalb ca. -70  C aufweisen, tritt beim Ab  kühlen ein direkter Übergang von einem     ferrimagneti-          schen    Zustand in einen antiferromagnetischen Zustand  ein. Es     wurde    jedoch gefunden, dass Materialien, die  eine Austauschinversion bei einer niedrigeren Tempera  tur -haben, einen intermediären Zustand aufweisen, und  bei genügend niedrigen Temperaturen, d. h. unter ca.  -170  C, wird nur der Übergang zwischen dem     ferri-          magnetischen    Zustand und diesem intermediären Zu  stand beobachtet.

   Alle Übergänge     zwischen    den drei  Zuständen sind im thermodynamischen Sinne Übergänge  der ersten Ordnung. Obgleich die Natur des intermediä  ren Zustandes nicht vollständig verständlich ist, ist die  magnetische Struktur in diesem Zustand von der Struk  tur in den oben erwähnten antiferromagnetischen und  ferrimagnetischen Zuständen verschieden.  



  Die für magnetische Komponenten in     erfindungs-          gemässen    Vorrichtungen brauchbaren     Mangan-Chrom-          und    Mangan-Vanadiumantimonide besitzen eine     tetra-          gonale    Kristallstruktur des Cu2Sb-Typs. Die Symmetrie  dieser Struktur bleibt unverändert, wenn die Materialien  unter Durchlaufen der unteren Übergangs- oder Aus  tauschinversionstemperatur erhitzt oder abgekühlt wer  den. Natürlich können andere Strukturen, wie z. B.  MnSb und nicht umgesetzte Bestandteile, ebenfalls vor  handen sein, aber es ist für viele Anwendungen wün  schenswert, dass derartige verunreinigende Strukturen  praktisch nicht vorhanden sind.

   Anderseits wird für ge  wisse Anwendungen das tetragonale Material mit ande  ren Substanzen, z. B. Kunststoffen oder Substanzen mit  herkömmlichen magnetischen Eigenschaften, kombiniert,  um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Beispielsweise  können durch Kombination mit einer magnetischen Sub  stanz, die die herkömmliche Abhängigkeit der magneti-    sehen Eigenschaften von der Temperatur aufweist, zu  sammengesetzte Materialien mit äusserst neuartigen  magnetischem Verhalten erhalten werden, wie weite  unten vollständiger beschrieben wird.  



  Die Mangan-Chrom- und     Mangan-Vanadiumanti-          monide    weisen Spaltebenen rechtwinklig zur c-Achs@  auf und haben gewöhnlich Curie-Temperaturen im Be@  reich von 180 bis 300      C.    Die Materialien schmelze  gewöhnlich bei ca. 900  C oder höher und besitzen be@  Zimmertemperatur Dichten im Bereich von 7,0 bi:  7,2 g/cm3. Manche Materialien weisen beim Übergan@  thermische Hysteresis auf, d. h. der Übergang tritt be@  einer höheren Temperatur ein, wenn man sich ihm vor  einer Temperatur unterhalb der Übergangstemperatu@  nähert, als wenn man sich ihm von einer Temperatu@  oberhalb der Übergangstemperatur nähert.

   Diese Hy  steresis, die von weniger als 1  C bei Materialien mit ge  ringer Hysteresis bis zu 20  C oder mehr bei mancher  Produkten variiert, kann unter gewissen Umständen er  wünscht sein. Wenn jedoch die Temperaturhysteresis ge  nügend gross ist, um in das richtige Arbeiten einer Vor  richtung einzugreifen, kann die Hysteresis gewöhnlich  durch eine Erhöhung des angewendeten magnetischen  Feldes in einem geeigneten Stadium in dem Hysteresis  zyklus auf ein annehmbares Niveau herabgesetzt wer  den. Andere Eigenschaften gewisser     Mangan-Chrom-          und    Mangan-Vanadiumantimonide sind unten in Ta  bellenform wiedergegeben.

    
EMI0004.0022     
  
    Eigenschaften <SEP> von <SEP> Mangan-Chrom  und <SEP> Mangan-Vanadiumantimoniden
<tb>  Eigenschaft1 <SEP> Wert <SEP> T K
<tb>  Youngmodul
<tb>  (Einkristall;
<tb>  Mn <SEP> 65,2 <SEP> %; <SEP> Cr <SEP> 1,5 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 33,3 <SEP> %)
<tb>  a-Achse, <SEP> AF <SEP> 14,5 <SEP> X <SEP> 1011 <SEP> Dyn/cm2 <SEP> 115
<tb>  F <SEP> 13,3 <SEP> X <SEP> 1011 <SEP> Dyn/cm2 <SEP> 130-300
<tb>  Schermodul
<tb>  (polykristallin;
<tb>  Mn <SEP> 63,4 <SEP> %;

   <SEP> Cr <SEP> 3,3 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 33,3 <SEP> %)
<tb>  AF <SEP> 2,85 <SEP> X <SEP> 1011 <SEP> Dyn/cm2 <SEP> 307
<tb>  F <SEP> 3,03 <SEP> X <SEP> 1011 <SEP> Dyn/cm2 <SEP> 307
<tb>  Linearer <SEP> Ausdehnungs  koeffizient
<tb>  (Mn <SEP> 62,7-66,0 <SEP> %;
<tb>  Cr <SEP> 0,6-4,0 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 31,6-33,3 <SEP> %;

  
<tb>  In <SEP> 0-1,7 <SEP> %)
<tb>  a-Achse, <SEP> AF <SEP> 10 <SEP> X <SEP> 10-6 C-1 <SEP> 100
<tb>  13 <SEP> X <SEP> 10-6 C-1 <SEP> 200
<tb>  15x10-<B><I>6</I></B> C-t <SEP> 300
<tb>  F <SEP> 30x10-<B><I>6</I></B>0C-1 <SEP> 150
<tb>  29 <SEP> x10-s C-1 <SEP> 200
<tb>  26 <SEP> x <SEP> 10-6 C-1 <SEP> 300
<tb>  c-Achse, <SEP> AF <SEP> 20x10-s C-1 <SEP> 100
<tb>  33 <SEP> x <SEP> 10-6 C-1 <SEP> 200
<tb>  43 <SEP> x <SEP> 10-6 C-1 <SEP> 300
<tb>  F <SEP> <B>11X10-6"C-1</B> <SEP> 200
<tb>  22x <SEP> 10-6 C-1 <SEP> 300       
EMI0005.0000     
  
   
EMI0005.0001     
  
    Eigenschaft1 <SEP> Wert <SEP> T <SEP>  K
<tb>  Restinduktions5
<tb>  (Mn <SEP> 63,4 <SEP> %;

   <SEP> Cr <SEP> 3,3 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 33,3 <SEP> %)
<tb>  Nach <SEP> Entfernung <SEP> des
<tb>  sättigenden <SEP> Feldes <SEP> 1600 <SEP> Gauss <SEP> 300
<tb>  Nach <SEP> Entfernung <SEP> des
<tb>  sättigenden <SEP> Feldes <SEP> und
<tb>  thermischem <SEP> zyklischem
<tb>  Überführen <SEP> in <SEP> den <SEP> AF  Zustand <SEP> und <SEP> zurück <SEP> 300 <SEP> Gauss <SEP> 300
<tb>  Spezifischer <SEP> elektrischer
<tb>  Widerstand
<tb>  (Mn <SEP> 64,6-66,4 <SEP> %;
<tb>  Cr <SEP> 0,3-2,9 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 30,9-33,3 <SEP> %;

  
<tb>  In <SEP> 0-1,7 <SEP> %)
<tb>  AF <SEP> 35 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 4
<tb>  95 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 50
<tb>  175 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 100
<tb>  265 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 200
<tb>  305 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 300
<tb>  F <SEP> 5 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 4
<tb>  20 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 50
<tb>  50 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 100
<tb>  135 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 200
<tb>  210 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 300
<tb>  265 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 400
<tb>  I <SEP> 25 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 4
<tb>  65 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 50
<tb>  125 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> Ohm <SEP> cm <SEP> 100
<tb>  Thermokraft <SEP> gegen
<tb>  Cu 

  <SEP> (Mn <SEP> 65,0-65,9 <SEP> %;
<tb>  Cr <SEP> 0,8-1,7 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 33,3 <SEP> %; <SEP> Tt <SEP> unter
<tb>  210 <SEP>  K) <SEP> 7-8 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> Volt/ C <SEP> 300
<tb>  Wärmeleitfähigkeit
<tb>  (Mn <SEP> 64,6 <SEP> %; <SEP> Cr <SEP> 2,9 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 30,9 <SEP> %;

   <SEP> In <SEP> 1,6 <SEP> %)
<tb>  AF <SEP> 0,059 <SEP> Watt/cm <SEP>  C <SEP> 208
<tb>  AF <SEP> 0,049 <SEP> Watt/cm <SEP>  C <SEP> 273
<tb>  F <SEP> 0,060 <SEP> Watt/cm <SEP>  C <SEP> 303
<tb>  Wärmeinhalt <SEP> bei
<tb>  konstantem <SEP> Druck
<tb>  (Mn <SEP> 64,3-65,2 <SEP> %;
<tb>  Cr <SEP> 1,5-3,3 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 31,6-33,3 <SEP> %;
<tb>  In <SEP> 0-1,7 <SEP> %) <SEP> 13,2 <SEP> cal/Mol <SEP>  C <SEP> 100
<tb>  19,4 <SEP> cal/Mol <SEP>  C <SEP> 200
<tb>  22,0 <SEP> cal/Mol <SEP>  C <SEP> 300
<tb>  Übergangsentropie6
<tb>  (Mn <SEP> 62,7-65,2 <SEP> %;
<tb>  Cr <SEP> 0,7-4,2 <SEP> %;
<tb>  Sb <SEP> 30,9-33,3 <SEP> %;

  
<tb>  In <SEP> 0-1,7 <SEP> %) <SEP> 0,35 <SEP> cal/Mol <SEP>  C <SEP> 150
<tb>  0,40 <SEP> cal/Mol <SEP>  C <SEP> 200
<tb>  0,31 <SEP> cal/Mol <SEP>  C <SEP> 300
<tb>  <B>0,11</B> <SEP> cal/Mol <SEP>  C <SEP> 400         Die in vorstehender Tabelle hochgestellten Zahlen  bedeuten:  Das bei der Herstellung von Proben für die Messung  verwendete Material ist in Klammern angegeben.  
EMI0006.0000     
  
     2 Druckänderung pro Grad Änderung der Übergangs  temperatur bei konstantem Feld.  



  3 Probe in ferrimagnetischem Zustand, korrigiert für  die bei Temperaturen unterhalb der Temperatur der  Austauschinversion beobachtete Restmagnetisierung.  Verfahren (b).  



  4 Feldänderung pro Grad Änderung der Übergangs  temperatur bei konstantem Druck.  



  5 Siehe Bozorth, loc. cit., Seiten 4 und 5.  



  6 Berechnet mittels der Beziehung von     Clausius-Cla-          peyron    aus den Feldkoeffizienten und der Änderung  der Magnetisierung bei der Austauschinversion. Die  berechneten Werte stimmen mit den durch direkte  kalorimetrische Messung bestimmten Werten überein.    <I>Zusammengesetzte Komponenten</I>  In gewissen erfindungsgemässen Vorrichtungen wird  eine zusammengesetzte magnetische Komponente ver  wendet, die aus einem magnetischen     Material    des oben  beschriebenen Typs (1. Element) in Kombination mit  einem magnetischen Material des üblichen Typs, näm  lich einem Material, dessen Magnetisierbarkeit unter  halb des Curie-Punktes bei zunehmender Temperatur  monoton abnimmt und bei höheren Temperaturen 0 ist  (2. Element), besteht.

   Durch geeignete Wahl dieser Ele  mente können zusammengesetzte magnetische Kompo  nenten konstruiert werden, die in einem schmalen Tem  peraturbereich ein ausgeprägtes     Maximum    der Sätti  gungsinduktion und sowohl bei niedrigeren als auch bei  höheren Temperaturen eine viel geringere Induktion auf  weisen. Es können auch zusammengesetzte Komponen  ten konstruiert werden, deren Sättigungsinduktion in  nerhalb eines schmalen Temperaturbereiches ein Mini  mum ist oder innerhalb eines gewünschten Temperatur  bereiches praktisch konstant ist.  



  Das folgende Beispiel erläutert die direkte gegen  seitige Umwandlung von thermischer und mechanischer  Energie ineinander in einer Vorrichtung auf der Basis  einer Komponente, die aus einem Material mit Aus  tauschinversion bestand. In dieser Vorrichtung wurde  eine magnetische Komponente aus einem Einkristall in  Form eines Parallelepipedes mit Kanten von 5,08 bis  7,62 mm verwendet. Eine Seite des Parallelepipedes  wurde stark poliert, und in der entgegengesetzten Seite  wurde eine kleine V-förmige Kerbe angebracht. Das Par  allelepiped wurde mit der Seite mit der V-förmigen  Kerbe nach oben auf den Boden eines Quarzrohres ge  stellt, und ein Quarzstab wurde vertikal so angebracht,  dass sein unteres Ende in die Kerbe eingriff.

   Der Stab  besass die Freiheit, sich in vertikaler Richtung zu bewe  gen, und das obere Ende des Stabes setzte den Kern  eines Differentialtransformators in Bewegung. Die Wick  lungen des Transformators waren auf dem oberen Teil  des Quarzrohres montiert, so dass der Ausgang des  Transformators die relative Bewegung zwischen Stab  und Rohr anzeigte. Durch Eichung mit Präzisionsmess-    klötzen wurde festgestellt, dass selbst so kleine Bew@  gungen des Stabes wie   2,54 X 10-4 mm bestimmt wei  den konnten. Im Betrieb wurde das untere Ende d@n  Quarzrohres, das die magnetische Komponente enthiel  mit einer Geschwindigkeit von ca. 1  C/Minute erhit@  oder abgekühlt, und die durch die thermische Ausdel  nung oder Zusammenziehung der Komponente e@  zeugte mechanische Bewegung des Quarzstabes wur@  durch den Ausgang des Differentialtransformators ang@  zeigt.

   In der Zeichnung ist die Beziehung zwischen Te@  peratur der Komponente und Bewegung des Stabes b@  Temperaturen in der Nähe der Temperatur der Au  tauschinversion für Vorrichtungen angegeben, bei dene  die Bewegung des Stabes Änderungen der Abmessung@  parallel zu den kristallographischen a- bzw.     c-Richtu@-          gen    der magnetischen Komponente aus einem Manga@  Chromantimonid mit der Zusammensetzung 65,5 Aton  Prozent hin, 1,7 Atomprozent Cr und 32,8 Atompr@  zent Sb zuzuschreiben ist. Es ist offensichtlich, dass d@  Bewegung des Stabes bei Verwendung der beschriebene  Vorrichtung zur Temperaturanzeige benützt werde  kann und dass eine Umwandlung in eine Vorrichtu@g  zur Temperatursteuerung leicht herbeigeführt werde  kann.

   Durch Thermostatisieren des Materials mit Au@  tauschinversion können derartige Vorrichtungen für @  Verwendung zur Richtungssinnbestimmung der magnet@  sehen Feldstärke abgeändert werden.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Vorrichtung zur Umwandlung von Energie von ein, Form in Energie einer andern Form nach dem Paten anspruch des Hauptpatentes, dadurch gekennzeichn@t dass die magnetische Komponente eine Änderung ihr Grössenabmessung bei der genannten Temperatur unt@ halb ihres Curie-Punktes erfährt, und dass ein an @ magnetischen Komponente anliegendes Glied vorgeseh@n ist, dessen relative Bewegung von der Veränderung d Grössenabmessung der magnetischen Komponente a' hängt. UNTERANSPRÜCHE 1. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch g kennzeichnet, dass die Zunahme der Sättigungsinduktiv der magnetischen Komponente mindestens eine für fache ist. 2.
    Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch g kennzeichnet, dass die Zunahme der Sättigungsinduktiv der magnetischen Komponente mindestens eine für fache ist und von einer Änderung des spezifischen ele trischen Widerstandes von 10 0"'o begleitet wird. 3. Vorrichtung nach Patentanspruch und Untera Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahn der Sättigungsinduktion der magnetischen Komponen von einer Änderung der Kristallgrösse von mindeste 0,1 !o begleitet wird. 4.
    Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch g kennzeichnet, dass die Zunahme der Sättigungsindu tion der magnetischen Komponente mindestens ei: zehnfache ist und von einer Änderung des spezifisch elektrischen Widerstandes von mindestens 20 0;'o ui von einer Änderung der Kristallgrösse von mindeste 0,2 0,lo begleitet wird. 5. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch g kennzeichnet, dass Mittel zum Magnetisieren und Er magnetisieren der magnetischen Komponente vorgeseh sind. 6.
    Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die magnetische Komponente Man gan in einer Menge von mindestens 40 Atomprozent, als zweite metallische Komponente Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer oder Zink in einer Menge von 6 bis 25 Atom prozent und mindestens eines der Elemente Arsen, Anti mon und Wismut in einer Menge von 25 bis 40 Atom prozent enthält. 7.
    Vorrichtung nach Patentanspruch für die rever- sible Umwandlung von thermischer in mechanisch Energie, dadurch gekennzeichnet, dass das an die ma@ gnetische Komponente anstossende bewegliche Glie@ sich in direkter Abhängigkeit von der Änderung der Ab messungen der Komponente bewegt und dazu bestimm ist, mechanische Arbeit zu leisten und :Mittel zur Erhit zung der Komponente vorgesehen sind, um die genannt Zunahme der Sättigungsinduktion der magnetischer Komponente zu bewirken.
CH363863A 1960-04-01 1963-03-22 Vorrichtung für die Umwandlung von Energie einer Form in Energie einer anderen Form CH485364A (de)

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