БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ
Навигация:

Библиотека DJVU
Photogallery

БСЭ

Статистика:


Магнитное охлаждение

Значение слова "Магнитное охлаждение" в Большой Советской Энциклопедии


Магнитное охлаждение, метод получения температур ниже 1 К путём адиабатического размагничивания парамагнитных веществ. Предложен П. Дебаем
и американским физиком У. Джиоком (1926); впервые осуществлен в 1933. Магнитное охлаждение - один из двух практически применяемых методов получения температур ниже 0,3 К (другим методом является растворение жидкого гелия 3He в жидком 4He).

  Для Магнитное охлаждение применяют соли редкоземельных элементов (например, сульфат гадолиния), хромокалиевые, железоаммониевые, хромометиламмониевые квасцы и ряд других парамагнитных веществ. Кристаллическая решётка этих веществ содержит ионы Fe, Cr, Gd с недостроенными электронными оболочками и отличным от нуля собственным магнитным моментом (спином). Парамагнитные ионы разделены в кристаллической решётке большим числом немагнитных атомов. Это приводит к тому, что магнитное взаимодействие ионов оказывается слабым: даже при низких температурах, когда тепловое движение значительно ослаблено, силы взаимодействия не способны упорядочить систему хаотически ориентированных спинов. В методе Магнитное охлаждение применяется достаточно сильное (~ несколько кэ) внешнее магнитное поле, которое, упорядочивая направление спинов, намагничивает парамагнетик. При выключении внешнего поля (размагничивании парамагнетика) спины под действием теплового движения атомов (ионов) кристаллической решётки вновь приобретают хаотическую ориентацию. Если размагничивание осуществляется адиабатически (в условиях теплоизоляции), то температура парамагнетика понижается (см. Магнетокалорический эффект).

  Процесс Магнитное охлаждение принято изображать на термодинамической диаграмме в координатах температура Т - энтропия S (рис. 1). Получение низких температур связано с достижением состояний, в которых вещество обладает малыми значениями энтропии. В энтропию кристаллического парамагнетика, характеризующую неупорядоченность его структуры, свою долю вносят тепловые колебания атомов кристаллической решётки («тепловой беспорядок») и разориентированность спинов («магнитный беспорядок»). При Т ® 0 энтропия решётки Speш убывает быстрее энтропии системы спинов Sмагн, так что Speш при температурах Т < 1 К становится исчезающе малой по сравнению с Sмагн. В этих условиях возникает возможность осуществить Магнитное охлаждение

  Цикл Магнитное охлаждение (рис. 1) состоит из 2 стадий: 1) изотермического намагничивания (линия АБ) и 2) адиабатического размагничивания парамагнетика (линия БВ). Перед намагничиванием температуру парамагнетика при помощи жидкого гелия понижают до Т ~ 1 К и поддерживают её постоянной на протяжении всей 1-й стадии Магнитное охлаждение Намагничивание сопровождается выделением теплоты и уменьшением энтропии до значения SH. На 2-й стадии Магнитное охлаждение тепловое движение, разрушая упорядоченность спинов, приводит к увеличению Sмагн. Однако в процессе адиабатического размагничивания энтропия парамагнетика в целом не меняется. Увеличение Sмагн компенсируется уменьшением Speш, то есть охлаждением парамагнетика.

  Взаимодействие спинов между собой и с кристаллической решёткой (спин-решёточное взаимодействие) определяет температуру, при которой начинается резкий спад кривой Sмагн при Т ® 0 и становится возможным Магнитное охлаждение Чем слабее взаимодействие спинов, тем более низкие температуры можно получить методом Магнитное охлаждение Парамагнитные соли, применяемые для М о., позволяют достичь температур ~ 10-3 К.

  Значительно более низких температур удалось достигнуть, используя парамагнетизм уже не атомов (ионов), а атомных ядер. Магнитные моменты ядер примерно в тысячу раз меньше спиновых магнитных моментов электронов, определяющих моменты парамагнитных ионов. Поэтому взаимодействие ядерных магнитных моментов значительно слабее взаимодействия моментов ионов. Для намагничивания до насыщения системы ядерных магнитных моментов даже при Т = 1 K требуются сильные магнитные поля (~ 107 э). Практически применяют поля 105 э, но тогда необходимы более низкие температуры (~ 0,01 К). При исходной температуре ~ 0,01 K адиабатическим размагничиванием системы ядерных спинов (например, в образце меди) удаётся достигнуть температуры 10-5-10-6 К. До этой температуры охлаждается не весь образец. Полученная температура (её называют спиновой) характеризует интенсивность теплового движения в системе ядерных спинов сразу после размагничивания. Электроны же и кристаллическая решётка остаются после размагничивания при исходной температуре ~ 0,01 К. Последующий обмен энергией между системами ядерных и электронных спинов (посредством спин-спинового взаимодействия) может привести к кратковременному охлаждению всего вещества до Т ~ 10-4 К. Измеряют низкие температуры (~ 10-2 К и ниже) методами магнитной термометрии. Практически Магнитное охлаждение осуществляют следующим способом (рис. 2, а). Блок парамагнитной соли С помещается на подвесках из материала с малым коэффициентом теплопроводности внутри камеры 1, которая погружена в криостат 2 с жидким гелием 4He. Откачкой паров гелия температура в криостате поддерживается на уровне 1,0-1,2 К (применение жидкого 3He позволяет снизить исходную температуру до ~ 0,3 К). Теплота, выделяющаяся в соли во время намагничивания, отводится к жидкому гелию газом, заполняющим камеру 1. Перед выключением магнитного поля газ из камеры 1 откачивают через кран 4 и таким образом блок соли С теплоизолируют от жидкого гелия. После размагничивания температура соли понижается и может достигнуть нескольких тысячных долей градуса. Запрессовывая в блок соли какое-либо вещество или соединяя вещество с блоком соли пучком тонких медных проволочек, можно охладить вещество практически до тех же температур. Наиболее низкие температуры получают методом двухступенчатого Магнитное охлаждение (рис. 2, б). Сначала производят адиабатическое размагничивание соли С и через тепловой ключ (теплопроводящую перемычку) К охлаждают предварительно намагниченную соль D. Затем, после размыкания ключа К, размагничивают соль D, которая при этом охлаждается до температуры существенно более низкой, чем была получена в блоке соли С. Тепловым ключом в установках описанного типа обычно служит проволочка из сверхпроводящего вещества, теплопроводность которой в нормальном и сверхпроводящем состояниях при Т ~ 0,1 К различается во много раз. По схеме рис. 2, б осуществляют и ядерное размагничивание с тем отличием, что соль D заменяют образцом (например, меди), для намагничивания которого применяется поле напряжённостью в несколько десятков кэ.

  М. о. широко применяется при изучении низкотемпературных свойств жидкого гелия (сверхтекучести и других), квантовых явлений в твёрдых телах (например, сверхпроводимости), явлений ядерной физики и т.д.

 

  Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, с. 368-382; Физика низких температур, под общей редакцией А. И. Шальникова, перевод с английского, М., 1959, с. 421-610; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, перевод с английского, М., 1971; Амблер Е. и Хадсон Р. П., Магнитное охлаждение, «Успехи физических наук»,1959, т. 67, в. 3.

  А. Б. Фрадков.

кристаллической решётки (Speш ~ Т3): Ткон - конечная температура в цикле магнитного охлаждения." href="a_pictures/18/10/201000824.jpg">Рис. 1. Энтропийная диаграмма процесса магнитного охлаждения (S - энтропия, Т - температура). Кривая S<sub>0</sub> - изменение энтропии рабочего вещества с температурой без магнитного поля; Sн - изменение энтропии вещества в поле напряжённостью Н; Sрeш - энтропия <a href=кристаллической решётки (Speш ~ Т3): Ткон - конечная температура в цикле магнитного охлаждения." title="Рис. 1. Энтропийная диаграмма процесса магнитного охлаждения (S - энтропия, Т - температура). Кривая S0 - изменение энтропии рабочего вещества с температурой без магнитного поля; Sн - изменение энтропии вещества в поле напряжённостью Н; Sрeш - энтропия кристаллической решётки (Speш ~ Т3): Ткон - конечная температура в цикле магнитного охлаждения." src="a_pictures/18/10/th_201000824.jpg">
Рис. 1. Энтропийная диаграмма процесса магнитного охлаждения (S - энтропия, Т - температура). Кривая S0 - изменение энтропии рабочего вещества с температурой без магнитного поля; Sн - изменение энтропии вещества в поле напряжённостью Н; Sрeш - энтропия кристаллической решётки (Speш ~ Т3): Ткон - конечная температура в цикле магнитного охлаждения.

N, S - полюсы электромагнита), б - двухступенчатого." href="a_pictures/18/10/237146771.jpg">Рис. 2. Схемы установок для магнитного охлаждения: а - одноступенчатого (<a href=N, S - полюсы электромагнита), б - двухступенчатого." title="Рис. 2. Схемы установок для магнитного охлаждения: а - одноступенчатого (N, S - полюсы электромагнита), б - двухступенчатого." src="a_pictures/18/10/th_237146771.jpg">
Рис. 2. Схемы установок для магнитного охлаждения: а - одноступенчатого (N, S - полюсы электромагнита), б - двухступенчатого.

В Большой Советской Энциклопедии рядом со словом "Магнитное охлаждение"

Магнитное обогащение | Буква "М" | В начало | Буквосочетание "МА" | Магнитное поле


Статья про слово "Магнитное охлаждение" в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 2687 раз


Интересное