9.1 Принцип магнитного охлаждения

Рассмотрим парамагнитные ионы в твердом теле с электронным магнитным моментом μ. Мы предполагаем, что энергия взаимодействия Εm между самими моментами и с внешним приложенным магнитным полем мала по сравнению с тепловой энергией kBT . Это означает, что мы рассматриваем свободные парамагнитные ионы с магнитным моментом ц и полным угловым моментом J , что вносит вклад в энтропию

если они полностью неупорядочены в своих 2J+1 возможных ориентациях относительно магнитного поля.

Как и в случае охлаждения по Померанчуку, это есть энтропия магнитного беспорядка, которую мы хотим использовать для охлаждения. При температурах, рассматриваемых в данной главе, эта энтропия магнитного разупорядочення, величина которого порядка нескольких джоулей на моль хладагента, всегда больше всех иных энтропий системы, например энтропий решетки и электронов проводимости, которыми мы будем поэтому пренебрегать.

Если температура понижается, то, в конце концов, взаимодействия между магнитными моментами станут сравнимыми с тепловой энергией. Это тогда приведет к спонтанному магнитному упорядочению, т.е. к ферромагнитной или антиферромагнитной ориентации электронных магнитных моментов. В результате энтропия будет уменьшаться и приближаться к нулю, как требует третий закон термодинамики. Внешнее приложенное магнитное поле будет взаимодействовать с магнитными моментами, по крайней мере, частично ориентируя их вдоль своей оси для создания намагниченного состояния более высокого порядка. Поэтому в присутствии поля энтропия будет уменьшаться при более высокой температуре, чем без поля (рис. 9.1).

температурная зависимость молярной энтропии монокристала соли цмн в магнитных полях, расположенных вдоль кристаллографической оси

Из энтропийной диаграммы на рис. 9.1 очень легко понять принцип магнитного охлаждения. Мы помещаем парамагнитную соль в тепловой контакт с ванной предварительного охлаждения для достижения солью начальной температуры Тi . Затем прикладываем магнитное поле Bi — для изотермического намагничивания соли от В = 0 до В = Bi — при значениях температуры Тi . В течение этого процесса теплота намагничивания должна поглотиться ванной предварительного охлаждения. Следующим шагом является тепловая изоляция парамагнитной соли от окружающей ванны, что позволяет затем провести адиабатическое размагничивание путем уменьшения внешнего поля от начального значения Bi до конечного поля Bf , которое может составлять величину порядка миллитесла. Соответственно, должна уменьшаться температура (рис. 9.1). Наконец, хладагент, парамагнитная соль, будет отепляться вдоль энтропийной кривой при Bf = const благодаря внешнему теплопритоку до тех пор, пока не будет израсходована энергия охлаждения. Из рис. 9.1 очевидно, что нижний предел магнитного охлаждения определяется процессом спонтанного магнитного упорядочения магнитных моментов. Магнитное охлаждение — это "одноразовая" техника, где размагничивание заканчивается при низком поле, и затем образец и хладагент отогреваются.