Réfrigération magnétique

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La réfrigération magnétique repose sur la propriété physique de certains matériaux magnétiques qui voient leur température intrinsèque s'élever lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique. Ce phénomène dénommé effet magnétocalorique (EMC) est maximum lorsque la température du matériau est proche de sa température de Curie.

Pratiquement, seuls certains matériaux magnétiques tel le gadolinium, l'arsenic ou certains alliages présentent un saut de température suffisant pour pouvoir être exploités dans le domaine du froid magnétique. Ces matériaux possèdent donc un EMC géant.

Les seuls corps purs qui possèdent une température de Curie proche de la température ambiante (293 K = 20 °C) ainsi qu'un EMC géant sont l'arsenic et surtout le gadolinium. C'est pourquoi, ce dernier est souvent utilisé dans les démonstrateurs de « frigo magnétique ». Toutefois, ce matériau est rare et coûteux et l'arsenic, lui, est très toxique.

Mais la récente mise au point d'alliages à base de cobalt, manganèse, silicium et germanium ou de céramiques présentant des propriétés analogues rendent possible la réalisation et la commercialisation à destination du marché grand public de réfrigérateurs magnétiques silencieux et écologiques (absence de gaz destructeur de la couche d'ozone ou toxique) et économiques (haut rendement)[1].

Actuellement (2009), le principal obstacle à une industrialisation est le champ magnétique très élevé (de l'ordre de 5 teslas) qu'il faut générer afin de pouvoir obtenir des rendements intéressants[2].

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Il existe principalement deux méthodes qui permettent la réfrigération magnétique. Ces deux techniques utilisent la démagnétisation adiabatique[3],[4].

La première technique est utilisée afin d'atteindre des températures pas trop basses, pour la réfrigération à température ambiante par exemple. Elle se fonde sur le cycle suivant:

  • Magnétisation adiabatique: Au départ, le matériau est en équilibre thermique avec le système à réfrigérer. Puis, on élève la température du matériau au-dessus de celle du réservoir chaud en lui appliquant un champ magnétique B.
  • Transfert isomagnétique d'entropie: En gardant B constant, le matériau est mis en contact thermique avec le réservoir chaud. De l'énergie thermique est alors transférée du matériau vers le réservoir.
  • Démagnétisation adiabatique: Le matériau est à nouveau isolé thermiquement. On ramène B à zéro. Le matériau voit donc sa température baisser en dessous de celle du système à réfrigérer.
  • Transfert isomagnétique d'entropie: Le matériau est maintenant mis en contact thermique avec le système à réfrigérer. Il en résulte un transfert d'énergie thermique du système vers le matériau jusqu'à ce que l'équilibre thermique s'établisse. Le cycle peut alors recommencer.


Le principal désavantage de ce cycle est que la température du paramagnétique doit descendre au-dessous de la température que l'on souhaite faire atteindre au système à réfrigérer. Elle ne permet donc pas d'atteindre des température très basses.


La deuxième technique utilise un cycle différent qui permet de contourner ce problème. Cette méthode a permis aux physiciens d'atteindre les températures les plus proches du zéro absolu. Elle se fonde sur le cycle suivant[5]:

  • Magnétisation adiabatique: L'intensité du champ magnétique B est augmentée de manière à ajuster la température du matériau à celle du réservoir chaud.
  • Transfert isotherme d'entropie: Le matériau est mis en contact thermique avec le réservoir chaud. L'intensité de B est augmentée lentement de manière à avoir un transfert d'entropie du matériau vers le réservoir chaud à température constante.
  • Démagnétisation adiabatique: On isole le matériau thermiquement puis on baisse rapidement l'intensité de B pour ajuster la température du matériau à celle du système à réfrigérer.
  • Transfert isotherme d'entropie: Le matériau est mis en contact thermique avec le système à réfrigérer. On diminue lentement l'intensité de B de façon à avoir un transfert d'entropie du système vers le matériau à température constante. Le cycle peut alors recommencer.


L'efficacité d'un tel cycle dépend alors essentiellement de deux paramètres : la variation de température à entropie constante du matériau paramagnétique (\Delta T_{adiab}) et la variation d'entropie à température constante (\Delta S_{iso}), c'est-à-dire de la quantité d'entropie que peut absorber ou rejeter le matériau à température donnée.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. [1] futura-sciences 03.10.06
  2. Article: "Transition-metal-based magnetic refrigerants for room-temperature applications", O. Tegus, K. H. J. Buschow, F. R. de Boer, E. BrÜck, Nature 415, 150-152 (10 January 2002)
  3. Article: "Ambient pressure colossal magnetocaloric effect tuned by composition in MnFeAs", Ariana de Campos, Daniel L Rocco, Alexandre Magnus G. Carvalho, Luana Caron, Adelino A. Coelho, Luzeli M. da Silva, FlÁvio C. G. Gandra, Adenilson O. dos Santos, Lisandro P. Cardoso, Pedro J. von Ranke, Nature Materials 5, 802-804 (3 September 2006)
  4. Article: "Reduction of hysteresis losses in the magnetic refrigerant GdGeSi by the addition of iron", Alexander J. Shapiro, Robert D. Shull, Virgil Provenzano, Nature 429, 853-857 (24 June 2004)
  5. Voir: F. Rief, Statistical and Thermal Physics, McGram-Hill editions, 1985. ISBN 0-07-085615-X