Изменение энтропии при адиабатическом изменении внешних параметров. Магнитное охлаждение.

Метод получения температур ниже 1 К путём адиабатического размагнич парамагнит веществ. Предложен П. Дебаеми американским физиком У. Джиоком (1926); впервые осуществлен в 1933. М. о. — один из двух практически применяемых методов получ температур ниже 0,3 К (др методом яв-ся растворение жидкого гелия ³He в жидком⁴He).

Для М. о. прим соли редкоземельных элементов (например, сульфат гадолиния), хромокалиевые, железоаммониевые, хромометиламмониевые квасцы и ряд др парамагнитных веществ. Кристаллич решётка этих в-в содержит ионы Fe, Cr, Gd с недостр электронными оболочками и отличным от 0 собственным маг моментом. Парамаг ионы разделены в кристал решётке боль числом немаг атомов. Это приводит к тому, что магнитное взаим-вие ионов оказ-ся слабым: даже при низких температурах, когда тепловое движ значительно ослаблено, силы взаимодействия не способны упорядочить сис-у хаотически ориентированных спинов. В методе М. о. примен достаточно сильное внешнее магнитное поле, которое, упорядочивая направ спинов, намагничивает парамагнетик. При выключении внешнего поля спины под действием теплового движения атомов крист решётки вновь приобретают хаотическую ориентацию. Если размагнич ос-ся адиабатически то температура парамагн понижается.

Процесс М. о. принято изображать на термодинамической диаграмме в коорд температура Т — энтропия S (рис. 1). Получение низких температур связано с достиж состояний, в которых вещество обладает малыми значениями энтропии. В энтропию кристаллического парамагнетика, характер неупорядоченность его структуры, свою долю вносят тепловые колебания атомов кристал решётки («тепловой беспорядок») и разориентированность спинов («маг беспорядок»). ПриТ ® 0 энтропия решётки S_peш убывает быстрее энтропии системы спинов S_магн, так что S_peш при температурах Т< 1 К становится исчезающе малой по сравнению с S_магн. В этих условиях возникает возможность осуществить М. о.

Цикл М. о. (рис. 1) сост из 2 стадий: 1) изотермич намагнич (линия АБ) и 2) адиабатического размагничивания парамагнетика (линия БВ). Перед намагнич температуру парамагнетика при помощи жидкого гелия понижают доТ М о 1 К и поддерж её пост на протяжении всей 1-й стадии М. о. Намагнич сопровождается выдел теплоты и уменьш энтропии до значения S_H. На 2-й стадии М. о. тепл движение, разрушая упорядоч спинов, приводит к увел S_магн. В процессе адиабатического размагничивания энтропия парамагнетика в целом не меняется. Увеличение S_магн компенсируется уменьшением S_peш, то есть охлаждением парамагнетика.

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

Значит более низких тем-р удалось достигнуть, используя парамагнетизм уже не атомов (ионов), а атомных ядер. Магн моменты ядер примерно в 100 раз меньше спиновых магнит моментов электронов, определяющ моменты парамаг ионов. Поэт взаим-вие ядерных магнитных моментов значительно слабее взаимодействия моментов ионов. Для намагнич до насыщения сис-ы яд магнитных моментов даже приТ = 1 K требуются сильные магн поля.Практически применяют поля 10⁵ э, но тогда необходимы более низкие температуры. При исход тем-ре Маг охлаждение 0,01 K адиабатическим размагничиванием сис-ы яд спинов удаётся достиг температуры 10^-5—10^-6 К. До этой тем-ры охлаждается не весь образец. Получ температура харак-т интенсивность теплового движения в системе яд спинов сразу после размагнич. Электроны же и кристаллич решётка остаются после размагнич при исход тем-ре М о. 0,01 К. Послед обмен энергией м/у системами яд и электр спинов может привести к кратковременному охлажд всего вещ-а до Т Маг охлаждение 10^-4 К. Измеряют низкие температуры методами маг термометрии. Практически М. о. осуществляют следующим способом (рис. 2, а). Блок парамагнитной соли С помеща на подвесках из материала с малым коэффициентом теплопр-ти внутри камеры 1, кот погружена в Криостат 2 с жидким гелием ⁴He. Откачкой паров гелия тем-ра в криостате поддерж на уровне 1,0—1,2 К. Теплота, выделяющаяся в соли во время намагничивания, отводится к жидкому гелию газом, заполняющ камеру 1. Перед выключ маг поля газ из камеры 1 откачивают через кран 4 и таким образом блок соли Степлоизолир от жидкого гелия. После размагничивания тем-ра соли понижается и может достигнуть нескольких тысячных долей градуса. Запрессов в блок соли какое-либо в-во или соединяя вещество с блоком соли пучком тонких медных проволочек, можно охладить вещество практич до тех же тем-р. Наиболее низкие температуры получают методом двухступенчатого М. о. (рис. 2, б). Сначала производят адиабатич размагничивание соли С и через тепловой ключ (теплопроводящую перемычку) К охлаждают предварительно намагниченную соль D. Затем, после размыкания ключа К, размагничивают соль D, кот при этом охлаждается до температуры существенно более низкой, чем была получена в блоке соли С. Тепловым ключом в установках описанн типа обычно служит проволочка из сверхпровод вещества, теплопр кот в нормальном и сверхпроводящем состояниях при Т Магнитное охлаждение 0,1 К различ во много раз. По схеме рис. 2, б осуществ и ядерное размагничивание с тем отличием, что соль D заменяют образцом для намагничивания которого применяется поле напряжённостью в несколько десятков кэ.

М.о. широко применяется при изучении низкотемперат св-в жид кого гелия квантовых явлений в твёрдых телах явл ядерной физики

Рис. 1. Энтропий ная диаграмма процесса магнитного охлаждения (S — энтропия, Т — температура). Кривая S₀ — изм энтропии рабочего вещества с температурой без магнитного поля; S_н — изменение энтропии вещества в поле напряжённостью Н; S_рeш — энтропия кристаллической решётки (Speш Магнитн охлаждение Т³): Т_кон — конечная температура в цикле магнитного охлаждения.

Рис. 2. Схемы установок для магнитного охлаждения: а — одноступенчатого (N, S — полюсы электромагнита), б — двухступенчатого.