МАГНИ́ТНОЕ ОХЛАЖДЕ́НИЕ

МАГНИ́ТНОЕ ОХЛАЖДЕ́НИЕ, ме­тод ох­ла­ж­де­ния, ос­но­ван­ный на ис­поль­зо­ва­нии маг­ни­то­ка­ло­ри­че­ско­го эф­фек­та, бла­го­да­ря ко­то­ро­му маг­нит­ный ма­те­ри­ал при на­маг­ни­чи­ва­нии в адиа­ба­тич. ус­ло­ви­ях из­ме­ня­ет свою темп-ру. Так, напр., фер­ро­маг­не­ти­ки и па­ра­маг­не­ти­ки на­гре­ва­ют­ся при на­маг­ни­чи­ва­нии и ох­ла­ж­да­ют­ся при раз­маг­ни­чи­ва­нии. Из­на­чаль­но М. о. как ме­тод по­лу­че­ния низ­ких и сверх­низ­ких тем­пе­ра­тур (1–0,01 К) пу­тём адиа­ба­тич. раз­маг­ни­чи­ва­ния па­ра­маг­нит­ных со­лей был пред­ло­жен П. Де­ба­ем (1926) и У. Ф. Джио­ком (1927). Соль, со­дер­жа­щую маг­нит­ные ио­ны с боль­шим маг­нит­ным мо­мен­том (как пра­ви­ло, ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лов), на­маг­ни­чи­ва­ли при от­но­си­тель­но вы­со­кой темп-ре, за­тем её ох­ла­ж­да­ли до ми­ни­маль­но воз­мож­ной темп-ры, по­сле че­го маг­нит­ное по­ле вы­клю­ча­ли. В ре­зуль­та­те за­трат те­п­ло­вой энер­гии на ра­зо­ри­ен­та­цию маг­нит­ных мо­мен­тов ио­нов соль ох­ла­ж­да­лась, что по­зво­ля­ло по­лу­чать темп-ры, близ­кие к аб­со­лют­но­му ну­лю. Ис­поль­зо­ва­ние па­ра­маг­нит­ных свойств ядер да­ёт воз­мож­ность по­лу­чать темп-ры по­ряд­ка 10^–6 К.

Во 2-й пол. 20 – нач. 21 вв. бы­ла тео­ре­тически рас­смот­ре­на и экс­пе­ри­мен­таль­но про­де­мон­ст­ри­ро­ва­на воз­мож­ность ис­поль­зо­ва­ния М. о. не толь­ко в об­лас­ти крио­ген­ных тем­пе­ра­тур, но и при зна­чи­тель­но бо­лее вы­со­ких темп-рах, вплоть до ком­нат­ных и вы­ше. Ис­поль­зуя маг­нит­ный ма­те­ри­ал в ка­че­ст­ве ра­бо­че­го те­ла, а так­же цик­лы на­маг­ни­чи­ва­ния – раз­маг­ни­чи­ва­ния (маг­нит­ные те­п­ло­вые цик­лы) с со­от­вет­ст­вую­щим от­во­дом теп­ло­ты на раз­ных ста­ди­ях цик­ла, мож­но ор­га­ни­зо­вать ра­бо­ту маг­нит­но­го хо­ло­диль­ни­ка, ана­ло­гич­но то­му, как ор­га­ни­зо­ва­на ра­бо­та тра­диц. хо­ло­диль­ни­ка, прин­цип дей­ст­вия ко­то­ро­го ос­но­ван на при­ме­не­нии цик­лов сжа­тия – рас­ши­ре­ния и ис­па­ре­ния – кон­ден­са­ции га­зов. Прин­цип дей­ст­вия маг­нит­но­го хо­ло­диль­ни­ка ос­но­ван на из­ме­не­нии эн­тро­пии маг­нит­но­го ма­те­риа­ла под дей­ст­ви­ем маг­нит­но­го по­ля. На рис. при­ве­де­ны за­ви­си­мо­сти пол­ной эн­тро­пии S фер­ро­маг­нит­но­го ма­те­риа­ла от темп-ры T в маг­нит­ном по­ле (Н ≠ 0) и в от­сут­ст­вие маг­нит­но­го по­ля (Н = 0). Аб­со­лют­ная ве­ли­чи­на из­ме­не­ния маг­нит­ной час­ти эн­тро­пии ΔS_м(Т) = S(H) - S(0) дос­ти­га­ет сво­его мак­си­му­ма в об­лас­ти темп-ры Кю­ри и не­ве­ли­ка вда­ли от этой темп-ры. Маг­нит­ный Кар­но цикл, осу­ще­ст­в­ляе­мый от темп-ры Т_х (темп-ра ох­ла­ж­дае­мой на­груз­ки) до темп-ры T_г (темп-ра го­ря­че­го те­п­ло­об­мен­ни­ка), пред­став­лен че­ты­рёх­уголь­ни­ком ABCD. За один цикл от на­груз­ки по­гло­ща­ет­ся (при раз­маг­ни­чи­ва­нии) ко­ли­че­ст­во те­п­ло­ты, рав­ное ΔS_мT_х, где ΔS_м = S₂ - S₁, и от­во­дит­ся в те­п­ло­об­мен­ник (при на­маг­ни­чи­ва­нии) ко­ли­че­ст­во те­п­ло­ты, рав­ное ΔS_мT_г, на что за­тра­чи­ва­ет­ся ра­бо­та, рав­ная ΔS_м·(T_г - T_х). Ра­бо­чий ин­тер­вал тем­пе­ра­тур хо­ло­диль­ни­ка, ра­бо­таю­ще­го по это­му цик­лу (T_г - Т_х), ог­ра­ни­чен умень­ше­ни­ем ве­ли­чи­ны ΔS_м при уда­ле­нии от Кю­ри точ­ки, при­во­дя­щим к умень­ше­нию его эф­фек­тив­но­сти.

Принцип действия магнитного холодильника: зависимость полной энтропии S ферромагнитного материала от температуры T в магнитном поле (Н≠0) и в отсутствие магнитного поля (Н=0).

В про­стей­шем слу­чае пол­ную эн­тро­пию маг­нит­но­го ма­те­риа­ла мож­но рас­смат­ри­вать как сум­му эн­тро­пий, од­на из ко­то­рых свя­за­на с маг­нит­ной под­сис­те­мой ма­те­риа­ла, а дру­гая – с его кри­стал­лич. ре­шёт­кой. При уве­ли­че­нии темп-ры ре­шё­точ­ный вклад в эн­тро­пию бы­ст­ро воз­рас­та­ет, что при­во­дит к умень­ше­нию эф­фек­тив­но­сти маг­нит­но­го цик­ла Кар­но (пря­мо­уголь­ник abcd на рис.). По­это­му маг­нит­ный цикл Кар­но при­ме­ня­ет­ся при темп-рах, не пре­вы­шаю­щих 20 К. Адиа­ба­тич. раз­маг­ни­чи­ва­ние мож­но от­не­сти к ти­пу М. о., в ко­то­ром ис­поль­зуют маг­нит­ный цикл Кар­но. При бо­лее вы­со­ких темп-рах при­ме­ня­ют­ся маг­нит­ные цик­лы Эрик­со­на и Брай­то­на, пред­став­лен­ные на рис. фи­гу­ра­ми AFCE (на­маг­ни­чи­ва­ние осу­ще­ст­в­ля­ет­ся изо­тер­ми­че­ски) и AGCI (на­маг­ни­чи­ва­ние осу­ще­ст­в­ля­ет­ся адиа­ба­ти­че­ски), а так­же ак­тив­ный маг­нит­ный цикл ох­ла­ж­де­ния, в ко­то­ром маг­нит­ный ма­те­ри­ал ис­поль­зу­ет­ся не толь­ко как хо­ло­диль­ный агент, но и как ре­ге­не­ра­тор, т. е. этот цикл яв­ля­ет­ся ре­ге­не­ра­тив­ным цик­лом.

По срав­не­нию с тра­диц. хо­ло­диль­ни­ка­ми маг­нит­ные хо­ло­диль­ни­ки ха­рак­те­ри­зу­ют­ся ря­дом пре­иму­ществ. Пре­ж­де все­го эти пре­иму­ще­ст­ва обу­слов­ле­ны го­раз­до бо­лее вы­со­кой плот­но­стью ра­бо­че­го те­ла в слу­чае маг­нит­но­го хо­ло­диль­ни­ка, в ко­то­ром ис­поль­зу­ет­ся твёр­дый ма­те­ри­ал в от­ли­чие от га­за в тра­диц. хо­ло­диль­ни­ках. Кро­ме то­го, маг­нит­ные хо­ло­диль­ни­ки не ну­ж­да­ют­ся в ком­прес­со­рах, мо­гут ра­бо­тать при бо­лее низ­ких час­то­тах, что умень­ша­ет их из­нос, и тео­ре­ти­че­ски ха­рак­те­ри­зу­ют­ся го­раз­до боль­шей сум­мар­ной эф­фек­тив­но­стью, ком­пакт­но­стью и энер­го­сбе­ре­же­ни­ем, чем па­ро­га­зо­вые ана­ло­ги. В кон. 20 – нач. 21 вв. соз­дан це­лый ряд ра­бо­таю­щих ла­бо­ра­тор­ных об­раз­цов маг­нит­ных хо­ло­диль­ни­ков.