|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Положительный магнитокалорический эффект |
 | |
Анимация
Описание
Магнитокалоричекий эффект - изменение температуры магнитного вещества (магнетика) при его адиабатическом намагничивании (размагничивании). В условиях адиабатичности магнетик не поглощает и не отдает теплоту (dQ=0), поэтому энтропия S магнетика не меняется : dS = dQ/T = 0. При объяснении магнитокалорического эффекта в рамках термодинамики энтропию рассматривают как функцию температуры Т, давления р и напряженности Н внешнего магнитного поля, S=S(T, p ,H), откуда в условиях адиабатичности:
.
При постоянном давлении (р = const) dp=0. В записи для конечных изменений величин:
. (1)
Соотношение (1) позволяет найти зависимость DT от DH, если раскрыть значение входящих в него частных производных. Производная (dS/dT)p,H=Cp,H/T, где Cp,H - теплоемкость магнетика. Производная (dS/dT)p,H может быть преобразована на основе соотношения взаимности частных производных внутренней энергии магнетика: 
, где М - намагниченность. Таким образом:
. (2)
Поскольку Cp,H/T >0, изменение температуры магнетика - охлаждение (DТ<0) или нагрев (DТ>0) - зависит от знака производной 
и изменения внешнего магнитного поля (DН>0 - намагничивание, DН<0 - размагничивание). Наиболее хорошо изучен магнитокалорический эффект, связанный с увеличением (уменьшением) числа одинаково ориентированных атомных магнитных моментов (спиновых или орбитальных) вещества при включении (выключении) магнитного поля. Магнитокалорический эффект такого типа наблюдается в парамагнетиках, а также в ферромагнетиках при истинном намагничивании (парапроцессе), когда магнитное поле выстраивает по направлению Н те атомные магнитные моменты, которые оставались еще не повернутыми вследствие дезориентирующего действия теплового движения. В указанных случаях (парамагнетик, классический ферромагнетик - Fe, Co, Ni и их сплавы) 
<0, так что DТ>0 при включении поля и DТ<0 при его выключении (DН<0). Особенно больших значений магнитокалорический эффект парапроцесса достигает вблизи Кюри точки, где намагниченность М резко уменьшается при нагревании магнетика (производная
)- очень велика).
В ферромагнетиках при парапроцессе наблюдается не только положительный, но и отрицательный магнитокалорический эффект. Наиболее просто можно интерпретировать магнитокалорический эффект в ферромагнетических соединениях редкоземельных металлов с железом, где согласно нейтронографическим данным, магнитную атомную структуру можно представить состоящей из двух магнитных подрешеток: подрешетки железа и подрешетки редкоземельных ионов. Магнитные моменты этих подрешеток антипараллельны. При температуре магнитной компенсации Тк намагниченность М1 подрешетки железа равна намагниченности М2 подрешетки редкоземельных ионов. При Т<Tcr М2>M1, а при Т>Tcr, наоборот, М2<M1.
В магнитокалорический эффект, наблюдаемый в этих соединениях, свой вклад вносит как подрешетка железа (DТ1), так и подрешетка редкоземельных ионов (DТ2).
При Т<Tcr по полю направлена намагниченность М2, которая при включении поля возрастает, поэтому магнитокалорический эффект происходит за счет редкоземельной подрешетки, при чем DТ2>0. Намагниченность M1 направлена в этом случае против поля, вследствие чего она уменьшается при увеличении Н (DT1<0). Т.к. по абсолютной величине DТ2>DТ1, то при Т<Tcr наблюдается суммарный положительный магнитокалорический эффект.
При Т>Tcr по полю направлена намагниченность М1 поджрешетки железа, а против поля - намагниченность М2 редкоземельной подрешетки. Здесь возрастание поля приводит к магнитному упорядочиванию подрешетки железа и разупорядочиванию редкоземельной подрешетки, вследствие чего DТ1>0, а DТ2<0. Суммарный магнитокалорический эффект при Т>Tcr получается отрицательным (вблизи Тк), поскольку |DТ2|>|DТ1|.
В ферромагнетических, ферримагнетических и антиферромагнетических кристаллах существует также магнитолкалорический эффект, обусловленный изменением энергии магнитной анизотропии вследствие вращения вектора намагниченности относительно кристаллографических осей, а также вследствие изменения констант магнитной анизотропии под действием приложеного магнитного поля. Магнитокалорический эффект вследствие смещения доменных стенок имеет существенно меньщую величину.
При магнитных фазовых переходах, вызываемых изменением магнитного поля (например, антиферромагнетизм), также наблюдается магнитокалорический эффект, обусловленный тем, что энтропии различных магнитных фаз не равны друг другу.
Магнитокалорический эффект при адиабатическом размагничивании парамагнетиков используется для получения сверхнизких температур. При низких температурах СP,Н~Т3 , поэтому метод магнитного охлаждения особенно эффективен, если исходная температура уже достаточно низка.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Эффект применяется для получения сверхнизких температур (см. содержательную часть).
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Наблюдение эффекта осуществляется в геометрии рис. 1.
Наблюдение магнитокалорического эффекта
Рис. 1
При подаче короткого импульса магнитного поля температура образца контролируется легким (безинерционным) контактным термодатчиком. Наблюдается импульсное увеличение температуры, которое исчезает по окончании импульса магнитного поля.
Литература
1. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.
2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
