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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.