Wie funktioniert der magnetokalorische Effekt (magnetische Kühlung)?

Ein unmagnetisiertes Material (d.h. seine magnetischen Dipole sind ungeordnet verteilt) hat eine Temperatur \(T\). Nun wird es adiabatisch in ein externes Magnetfeld \(H\) (\(H = \class{violet}{B}/\mu_0\)) gebracht. Adiabatisch bedeutet, dass es keinen Wärmeaustausch mit der Umgebung gibt und die Gesamtentropie des Materials somit konstant bleibt. Durch das externe Magnetfeld werden die magnetischen Dipole des Materials ausgerichtet (geordnet), folglich müsste die Gesamtentropie sinken, kann sie aber nicht, weil das System wärmeisoliert ist, also sinkt der Anteil der Entropie, der auf die magnetischen Dipole zurückzuführen ist und der Anteil der thermischen Entropie, der mit der Temperatur verknüpft ist, steigt. Deshalb steigt die Temperatur des Materials: \(T + \Delta T\). Dieser Prozess wird adiabatische Magnetisierung genannt (analog zur adiabatischen Kompression, wo der Druck statt dem Magnetfeld eingesetzt wird).

Nun wird das Material in Kontakt mit der Umgebung gebracht, die die Temperatur \(T\) hat. Das Material gibt dann die zusätzliche Wärme \(Q\) an die Umgebung ab und das Material kühlt sich auf die Umgebungstemperatur \(T\) wieder ab. Um eine Kühlung zu erreichen, wird das Magnetfeld (ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) abgestellt. Dadurch werden die Dipole wieder ungeordnet verteilt und die magnetische Entropie steigt. Damit die Gesamtentropie konstant bleibt, muss die thermische Entropie sinken. Das führt zur Verringerung der Materialtemperatur auf \(T - \Delta T\). Auf diese Weise wird eine magnetische Kühlung des Materials erreicht. Der Prozess kann wiederholt werden, wenn das Material wieder in Kontakt mit der Umgebungstemperatur \(T\) gebracht wird und dann die Wärme \(Q\) aufnimmt.

Das Phänomen selbst, bei dem das Magnetfeld einen Einfluss auf die Temperatur des Materials hat, wird magnetokalorischer Effekt genannt.