Магнитокалорический эффект. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитокалорический эффект - изменение температуры магн. вещества (магнетика) при его адиабатич. намагничивании (размагничивании). В условиях адиабатичности (см. Адиабатический процесс)магнетик не поглощает и не отдаёт теплоту (

), поэтому энтропия S магнетика не меняется:

При объяснении М. э. в рамках термодинамики [1] энтропию рассматривают как функцию температуры Т, давления р и напряжённости Н внеш. магн. поля, S=S(T, р, Н), откуда в условиях адиабатичности

Соотношение (1) позволяет найти зависимость T от

, если раскрыть значение входящих в него частных производных. Производная

, где

- теплоёмкость магнетика. Производная

может быть преобразована на основе соотношения взаимности частных производных внутр. энергии магнетика:

, где М - намагниченность. Т.о.,

Поскольку

, изменение температуры магнетика - охлаждение

или нагрев

- зависит от знака производной

и изменения внеш. магн. поля (

- намагничивание ,

- размагничивание). Наиб. хорошо изучен М. э., связанный с увеличением (уменьшением) числа одинаково ориентированных атомных магн. моментов (спиновых или орбитальных) вещества при включении (выключении) магн. поля. М. э. такого типа наблюдается в парамагнетиках (ПМ), а также в ферромагнетиках (ФМ) при истинном намагничивании (парапроцессе ),когда магн. поле выстраивает по направлению Н те атомные магн. моменты, к-рые оставались ещё не повёрнутыми вследствие дезориентирующего действия теплового движения. В указанных случаях (ПМ, классич. ФМ - Fe, Co, Ni и их сплавы)

, так что

при включении поля и

при его выключении

. Особенно больших значений М. э. парапроцесса достигает вблизи Кюри, точки, где намагниченность М резко уменьшается при нагревании магнетика [производная

очень велика]. М. э. в ФМ был подробно исследован П. Вейсом, Р. Форрером и К. П. Беловым [2, 3].

В ферримагнетиках при парапроцессе наблюдается не только положительный, но и отрицательный М. э. [4]. Наиб. просто можно интерпретировать М. э. в ферримагн. соединениях редкоземельных металлов с железом, где, согласно нейтронографич. данным, магнитную атомную структуру можно представить состоящей из двух магнитных подрешеток: подрешётки железа и подрешётки редкоземельных ионов [5]. Магн. моменты этих подрешёток антипараллельны. При температуре магнитной компенсации Т_к намагниченность M₁ подрешётки железа равна намагниченности М₂ подрешётки редкоземельных ионов. При Т<Т_К M₂>M₁, а при Т>Т_К, наоборот, М₂<М₁.

В М. э., наблюдаемый в этих соединениях, свой вклад вносит как подрешётка железа

, так и подрешётка редкоземельных ионов

При Т<Т_К по полю направлена намагниченность MS, к-рая при включении поля возрастает, поэтому М. э. за счёт редкоземельной подрешётки

Намагниченность M₁ направлена в этом случае против поля, вследствие чего она уменьшается при увеличении

. Т. к. по абс. величине

, то при Т<Т_к наблюдается суммарный положительный М. э.

При Т>Т_К по полю направлена намагниченность M₁ подрешётки железа, а против поля - намагниченность M₂ редкоземельной подрешётки. Здесь возрастание поля приводит к магн. упорядочению подрешётки железа и разупорядочению редкоземельной подрешётки, вследствие чего

, а

. Суммарный М. э. при Т>Т_К получается отрицательным (вблизи Т_к), поскольку

В ферромагн., ферримагн. и антиферромагн. кристаллах существует также М. э., обусловленный изменением энергии магн. анизотропии вследствие вращения вектора намагниченности относительно кристаллографич. осей, а также вследствие изменения констант магн. анизотропии под действием приложенного поля [6]. М. э. вследствие смещения доменных стенок имеет существенно меньшую величину.

При магнитных фазовых переходах, вызываемых изменением магн. поля (напр., антиферромагнетизм

ферромагнетизм), также наблюдается М. э., обусловленный тем, что энтропии разл. магн. фаз не равны ДРУГ другу [7].

М. э. при адиабатич. размагничивании парамагнетиков используется для получения сверхнизких температур (см. Магнитное охлаждение). При низких температурах

, поэтому метод магн. охлаждения особенно эффективен, если исходная темп-pa уже достаточно низка. В технике обоснована возможность создания новых типов холодильных машин, действие к-рых основано на использовании М. э. [8].

Литература по магнитокалорическому эффекту

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.