Хладилник с магнитна система за охлаждане. Хладилник с магнитно охлаждане: принцип на работа

Историята на сплавите на Heusler започва през 1898 г., когато немският физик Фридрих Гайслер открива интересна закономерност: сплавяването на немагнитни Mn, Cu и Sn води до появата на феромагнитни свойства, тоест сплавта е привлечена от магнит . В последствие тази функциясе открива и в други сплави с общ химична формула X2YZ. Най-интересна за практически приложения е сплавта на Heusler Ni2MnGa. Това интерметално съединение проявява памет на формата и ефекти на свръхеластичност, а неговите ясно изразени магнитни свойства правят възможно контролирането на тези ефекти с помощта на магнитно поле, чак до промяната във формата на предмет от сплав пред очите ни, когато към него се донесе магнит (!).

Паметта на формата и свръхеластичността се дължат на наличието на специална фазова трансформация, наречена мартензитна. Във феромагнитните сплави с памет на формата магнитното поле влияе върху параметрите на мартензитната фаза поради магнитоеластично взаимодействие.

Конвенционалните домакински хладилници се основават на принципа на компресия. Охлаждащата течност се изтласква под силно налягане в изпарителя, който се намира вътре в хладилното отделение. В момента на връщане към нормално наляганетечността се превръща в пара, отнемайки топлината от външната среда.

Тези хладилници имат редица недостатъци: охладителната система изисква много място, прави шум, консумира много електроенергия и изисква специално изхвърляне (фреоните се използват като хладилен агент и когато се изпускат в атмосферата, тези вещества разрушават озона слой). Ето защо днес учените в различни страниработят върху създаването на магнитни хладилници.

Тези устройства ще работят благодарение на магнитокалоричния ефект: при определени условия някои вещества могат да се нагреят, когато се включи магнитно поле, а изключването на магнитното поле води до тяхното рязко охлаждане.

Вече съществуват първите модели магнитни хладилници, в които като работно вещество се използва гадолиний, но те все още не са получили широко приложение поради недостатъчната ефективност и високата цена на Gd. Ето защо днес се нуждаем от методи за създаване на нови материали с магнитокалоричен ефект и начини за точна оценка на техните свойства.

Някои от обещаващите материали за създаване на такива хладилници са някои представители на семейството на Heusler сплави. Понастоящем са известни повече от 1500 интерметални съединения, които принадлежат към това семейство. Наред с магнитокалоричния ефект, сплавите на Heusler проявяват редица други интересни свойства: 100% спинова поляризация, свойства на топологични изолатори, аномална последователност от магнитни преходи, при които при нагряване сплавта преминава от немагнитно състояние в a магнитен (в "класическите" феромагнетици нагряването разрушава феромагнитното подреждане и при определена температура, наречена точка на Кюри, феромагнетикът става немагнитен).

Работят Владимир Соколовски и д-р Ховайло теоретични изследванияфазови трансформации (магнитни, структурни, свързани магнитоструктурни), магнитни, структурни и топлофизични свойства на моно и поликристални сплави на Heusler с ефект на паметта на формата Ni-Mn-X и Ni-Mn-X-Y (X = Ga, In, Sn, Sb и Y = Fe, Cu, Co, Cr), използвайки първи принципи и методи на Монте Карло.

Сплавите на Heusler са обещаващи материали не само за магнитни хладилници, но и за разработването на миниатюрни силови устройства, манипулатори, а в спинтрониката - за създаване на елементи за съхранение на информация.

Задачата за създаване на компактен, екологичен, енергийно ефективен и високонадежден хладилник, работещ в диапазона на стайна температура, е изключително актуална в момента. Това се дължи на редица сериозни оплаквания към настоящите охладителни системи. Известно е по-специално, че по време на работа на използвани в момента работни газове (хладилни агенти) са възможни течове, причиняващи такива сериозни екологични проблемикато разрушаването на озоновия слой и глобално затопляне. Сред различните алтернативни технологии, които могат да се използват в хладилни устройства, магнитната хладилна технология привлича все по-голямо внимание от изследователи по света. Интензивна работа по магнитно охлаждане се извършва в много лаборатории и университети в Европа, САЩ, Канада, Китай и Русия. Магнитният хладилник е екологичен и може значително да намали консумацията на енергия. Последното обстоятелство е изключително важно предвид наистина огромния брой хладилни агрегати, използвани от човека в най-разнообразните области на неговата дейност.

Магнитната хладилна технология се основава на способността на всеки магнитен материал да променя своята температура и ентропия под въздействието на магнитно поле, както се случва, когато газът или парата се компресират или разширяват в традиционните хладилници. Тази промяна в температурата или ентропията на магнитен материал, когато силата на магнитното поле, в което се намира, се променя, се нарича магнитокалоричен ефект (MCE). Промяната в температурата на магнитния материал възниква в резултат на преразпределението на вътрешната енергия на магнитното вещество между системата от магнитни моменти на неговите атоми и кристалната решетка. MCE достига своята максимална стойност в магнитно подредени материали, като феромагнетици, антиферомагнетици и др., при температури на магнитни фазови преходи (температури на магнитно подреждане - Кюри, Неел и др.). Основното предимство на магнитните охлаждащи устройства е свързано с високата плътност на материала - твърдо вещество - в сравнение с плътността на парата или газа. Промяната в ентропията на единица обем в твърдите магнитни материали е 7 пъти по-висока, отколкото в газа. Това дава възможност да се правят много по-компактни хладилници, използващи магнитен материал като работен флуид. Самият магнитен работен флуид служи като аналог на хладилните агенти, използвани в традиционните парогазови хладилни агрегати, а процесът на размагнитване-намагнитване е аналог на циклите компресия-разширяване.

Ефективността на хладилника се определя главно от количеството необратима работа, извършена по време на цикъла - за ефективните устройства това трябва да е възможно най-ниско. В газовия хладилник има устройства, които произвеждат значително количество необратима работа - това са регенератор, компресор и топлообменници. Значителна част от необратимата работа се извършва в топлообменниците - тя е правопропорционална на адиабатното изменение на температурата на работния флуид, което е много по-голямо в газ, отколкото в магнитен материал. Поради тази причина най-ефективното отвеждане на топлината се случва в цикъл на магнитно охлаждане, особено регенеративен. Специалният дизайн на топлообменника и използването на регенератор с голяма повърхност позволяват да се постигне малка част от необратимата работа по време на магнитно охлаждане. Според теоретични оценки ефективността на цикъла на магнитно регенеративно охлаждане в температурния диапазон от 4,5 до 300 K може да варира от 38 до 60% от ефективността на цикъла на Карно (около 52% в температурния диапазон от 20 до 150 K, и около 85% в диапазона от 150 до 300 K). В същото време, на всички етапи от цикъла, условията за пренос на топлина ще бъдат най-съвършените известни. В допълнение, магнитните хладилници имат малко движещи се части и работят на ниски честоти, което минимизира износването на хладилника и удължава живота му.

Хронология на проблема. Основни принципи на магнитното охлаждане

FEM е открит сравнително отдавна (през 1881 г.) от Е. Варбург. Варбург наблюдава как желязна проба се нагрява или охлажда под въздействието на магнитно поле. Ученият заключава, че промяната в температурата на пробата е следствие от промяната на вътрешната енергия на вещество с магнитна структура под въздействието на поле. Въпреки това преди практическа употребатова явление беше все още далече. Langevin (1905) е първият, който демонстрира, че промяната в намагнитването на парамагнитния материал води до обратима промяна в температурата на пробата.

Самото магнитно охлаждане беше предложено почти 50 години след откриването на FEM независимо от двама американски учени Peter Debye (1926) и William Giauque (1927) като начин за постигане на температури под точката на кипене на течния хелий. Gioc и McDougall бяха първите, които демонстрираха елементарен експеримент с магнитно охлаждане през 1933 г. (Малко по-късно това беше направено и от de Haas (1933) и Kurti (1934). По време на този експеримент беше възможно да се достигне температура от 0,25 K и изпомпван течен хелий при температура от 1,5 K беше използван като топлина -отстраняващо вещество. Таблетката с магнитна сол беше в състояние на термично равновесие с радиатора, докато в соленоида съществуваше силно магнитно поле. Когато соленоидът се разреди, магнитната пелета беше термично изолирана и температурата й намаля. Тази техника, наречено охлаждане с адиабатно размагнитване, е стандартна лабораторна техника, използвана за получаване на супер ниски температури. Въпреки това, мощността на такъв хладилник и неговият работен температурен диапазон са твърде малки за индустриални приложения.

През 60-те години на миналия век бяха предложени по-сложни методи, включително термична регенерация и циклични промени в магнитното поле. J. Brown от НАСА през 1976 г. демонстрира регенеративен магнитен хладилник, работещ вече близо до стайна температура с работен температурен диапазон от 50 K. Мощността на хладилника и неговата ефективност в този случай също бяха ниски, тъй като температурният градиент трябваше да се поддържа от смесване на течността за отстраняване на топлина и времето, необходимо за зареждане и разреждане на магнита, е твърде дълго. Малки хладилни устройства с ниска мощност са създадени през 80-те и 90-те години в няколко изследователски центъра: Националната лаборатория в Лос Аламос, Военноморската лаборатория в Анаполис, Националната лаборатория в Оук Ридж, Астронавтиката (всички САЩ), Toshiba (Япония).

В момента работата по малки магнитни хладилници за космически приложения, работещи на принципа на адиабатното размагнитване, се финансира от няколко изследователски центъра на НАСА. Изследванията на възможностите на магнитните хладилници за търговски приложения се провеждат от Astronautics Corporation of America (САЩ, Уисконсин) и Университета на Виктория (Канада). Изследването на материали за работни течности на магнитни хладилници от приложна гледна точка в момента се проучва интензивно от лабораторията Ames (Ames, Айова), университета Three Rivers в Квебек (Канада), NIST (Gathersburg, MD) и компанията “ Advanced Magnetic Technologies and Consulting” (AMT&C).

През 1997 г. Astronautics Corporation of America демонстрира сравнително мощен (600 вата) магнитен хладилник, работещ на близка до стайна температура. Ефективността на този хладилник вече беше сравнима с тази на конвенционалните фреонови хладилници. Използвайки активен магнитен регенератор (това устройство съчетава функциите на термичен регенератор и работен флуид), този хладилник работи повече от 1500 часа, осигурявайки диапазон на работна температура от 10 K близо до стайна температура, мощност от 600 вата, ефективност от около 35% спрямо цикъла на Карно с промяна на магнитното поле от 5 Тесла. Описаното устройство използва свръхпроводящ соленоид, а като работна течност е използван редкоземният метал гадолиний (Gd). Чистият гадолиний е използван в това си качество не само от астронавтиката, но и от НАСА, флота и други лаборатории, поради неговите магнитни свойства, а именно подходяща температура на Кюри (около 20 ° C) и доста значителен магнитокалоричен ефект.

Големината на MCE и следователно ефективността на процеса на охлаждане в магнитен хладилник се определя от свойствата на магнитните работни течности. През 1997 г. лабораторията на Еймс съобщава за откриването на гигантски магнитокалоричен ефект в съединенията Gd5(SiхGe1-x)4. Температурата на магнитното подреждане на тези материали може да варира в широки граници от 20 K до стайна температура поради промени в съотношението на съдържанието на силиций (Si) и германий (Ge). Металният гадолиний, редица интерметални съединения на базата на редкоземни елементи, системата от силицидно-германидни съединения Gd5(Ge-Si)4, както и La(Fe-Si)13 понастоящем се считат за най-обещаващи за използване като работни течности. Използването на тези материали ви позволява да разширите диапазона на работните температури на хладилника и значително да подобрите неговите икономически показатели.

Имайте предвид обаче, че пионерската работа по търсенето на ефективни сплави за работни течности на магнитни хладилници беше извършена няколко години по-рано във Физическия факултет на Московския университет. Най-пълните резултати от тези изследвания са представени в докторската дисертация на водещия изследовател на Физическия факултет на Московския държавен университет А. М. Тишин през 1994 г. Тази работа анализира множество възможни комбинации от редкоземни и магнитни метали и други материали, за да намери оптимални сплави за прилагане на магнитно охлаждане в различни температурни диапазони. Установено е, по-специално, че сред материалите с високи магнитокалорични свойства, съединението Fe49Rh51 (сплав на желязо с родий) има най-голям специфичен (т.е. за единица магнитно поле) магнитокалоричен ефект. Специфичната стойност на MCE за това съединение е няколко пъти по-висока, отколкото при силицид-германидни съединения. Тази сплав не може да се използва на практика поради високата си цена, както и значителни хистерезисни ефекти в нея, но може да служи като вид еталон, с който да се сравняват магнитокалоричните свойства на изследваните материали.

И накрая, през януари тази година списание Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) съобщи за създаването в Съединените щати на първото в света домакинство (т.е. приложимо не само за научни, но и за ежедневни цели) хладилник. Работещ модел на такъв хладилник беше произведен съвместно от Astronautics Corporation of America и Ames Laboratory и беше демонстриран за първи път на конференцията G8в Детройт през май 2002 г. Работен прототип на предложения домакински магнитен хладилник работи при стайна температура и използва постоянен магнит като източник на поле. Говорейки за това революционно постижение, професор Карл Шнайднер от лабораторията на Еймс каза: „Свидетели сме на историческо събитие в развитието на технологиите. По-рано демонстрираните магнитни хладилни устройства използваха големи свръхпроводящи магнити, но този нов магнитен хладилник е първият, който използва постоянен магнит, който не изисква охлаждане." .

Устройството беше високо оценено от експерти и министъра на енергетиката на САЩ. Прогнозите показват, че използването на магнитни хладилници ще намали общото потребление на енергия в Съединените щати с 5%. Предвижда се магнитното охлаждане да се използва в голямо разнообразие от области на човешката дейност - по-специално във втечняватели на водород, охлаждащи устройства за високоскоростни компютри и базирани на SQUID устройства, климатици за жилищни и производствени помещения, охладителни системи за Превозно средство, в битови и промишлени хладилници и др. Трябва да се отбележи, че работата по магнитни хладилни устройства се финансира от Министерството на енергетиката на САЩ в продължение на 20 години.

Дизайн на хладилник.

Създаденият прототип на магнитен хладилник използва структура с въртящи се колела. Състои се от колело, съдържащо сегменти с гадолиниев прах, както и мощен постоянен магнит.

Дизайнът е проектиран по такъв начин, че колелото се върти през работната междина на магнита, в която е концентрирано магнитното поле. Когато сегмент с гадолиний попадне в магнитно поле, в гадолиния възниква магнитокалоричен ефект - той се нагрява. Тази топлина се отстранява от топлообменник с водно охлаждане. Когато гадолиният напусне зоната на магнитното поле, възниква магнитокалоричен ефект с обратен знак и материалът се охлажда допълнително, охлаждайки топлообменника с втори поток вода, циркулиращ в него. Този поток всъщност се използва за охлаждане на хладилната камера на магнитен хладилник. Такова устройство е компактно и работи почти безшумно и без вибрации, което го отличава благоприятно от използваните днес хладилници с парно-газов цикъл.

„Постоянният магнит и гадолиниевата работна течност не изискват никаква енергия", казва професор Карл Шнайднер от лабораторията на Еймс. Енергията е необходима за въртене на колелото и захранване на водните помпи.

Тази технология е тествана за първи път през септември 2001 г. Понастоящем Времето течеработи за по-нататъшно разширяване на възможностите си: подобрява се технологичният процес за търговско производство на чист гадолиний и неговите необходими съединения, което ще позволи постигане на по-високи стойности на MCE при по-ниски разходи. В същото време персоналът на лабораторията на Еймс конструира постоянен магнит, способен да създава силно магнитно поле. Новият магнит създава поле два пъти по-силно от магнита в предишния дизайн на магнитен хладилник (2001), което е много важно, т.к. Големината на магнитното поле определя параметрите на хладилника като ефективност и мощност. Бяха подадени патентни заявки за процеса на получаване на съединението за работната течност Gd5(Si2Ge2) и дизайна на постоянния магнит.

Предимства, недостатъци и приложения.

Всички магнитни хладилници могат да бъдат разделени на два класа според вида на използваните магнити: системи, използващи свръхпроводящи магнити и системи, използващи постоянни магнити. Първите от тях имат широк диапазон от работни температури и относително висока изходна мощност. Те могат да се използват например в климатични системи за големи помещения и в складово оборудване. хранителни продукти. Системите за охлаждане с постоянен магнит имат относително ограничен температурен диапазон (не повече от 30 °C на цикъл) и по принцип могат да се използват в устройства с средна мощност(до 100 вата) - като хладилник за кола и преносим хладилник за пикник. Но и двете имат редица предимства пред традиционните парно-газови хладилни системи:

Ниска опасност за околната среда: Работната течност е твърда и може лесно да бъде изолирана от нея заобикаляща среда. Металните лантаниди, използвани като работни течности, са нискотоксични и могат да се използват повторно след изхвърляне на устройството. Топлоносителят трябва да има само нисък вискозитет и достатъчна топлопроводимост, която съответства добре на свойствата на вода, хелий или въздух. Последните са добре съвместими с околната среда.

Висока ефективност. Магнитокалоричното нагряване и охлаждане са практически обратими термодинамични процеси, за разлика от процеса на компресия на парата в работния цикъл на парогазовия хладилник. Теоретичните изчисления и експерименталните изследвания показват, че магнитните охлаждащи агрегати се характеризират с по-висока ефективност. и ефективност. По-специално, при стайна температура, магнитните хладилници са потенциално 20-30% по-ефективни от тези, работещи в цикъл пара-газ. Технологията за магнитно охлаждане може да бъде много ефективна в бъдеще, което значително ще намали цената на такива инсталации.

Дълъг експлоатационен живот. Технологията включва използването на малък брой движещи се части и ниски работни честоти в охладителните устройства, което значително намалява тяхното износване.

Гъвкавост на технологията. Възможно е да се използват различни дизайни на магнитни хладилници в зависимост от целта.

Полезни свойства на замразяването. Магнитната технология позволява охлаждане и замразяване на различни вещества (вода, въздух, химикали) с малки промени за всеки случай. За разлика от това, един ефективен цикъл на охлаждане пара-газ изисква много отделни етапи или смес от различни работни охлаждащи течности за извършване на една и съща процедура.

Бърз напредък в разработването на свръхпроводимост и подобряване на магнитните свойства на постоянните магнити. Понастоящем редица известни търговски компании успешно подобряват свойствата на NdFeB магнитите (най-ефективните постоянни магнити) и работят върху техния дизайн. Наред с добре известния напредък в областта на свръхпроводимостта, това ни позволява да се надяваме на подобряване на качеството на магнитните хладилници и същевременно намаляване на тяхната цена.

Недостатъци на магнитното охлаждане.

• Необходимостта от екраниране на магнитния източник.
• Текущата цена на източниците на магнитно поле е сравнително висока.
• Ограничен диапазон от температурни промени в един цикъл на охлаждане в системи с постоянен магнит. (не повече от 30 ° C).

Ще разработи ли Русия самостоятелно многообещаваща технология?

В нашата страна досега проблемът с магнитното охлаждане съществува само на нивото на научните лаборатории, въпреки че руските учени в началото на 90-те години извършиха първата работа по теорията и практиката на използване на FEM за създаване на магнитни хладилни машини. Създателите на работния прототип на магнитния хладилник, разгледан по-горе, работят в сътрудничество със служители на компанията „Advanced Magnetic Technologies and Consultations“ и Физическия факултет на Московския държавен университет в продължение на много години. За съжаление, в Русия подобни разработки се извършват на недостатъчно ниво поради липсата на необходимите средства. Няма съмнение, че с подходяща финансова подкрепа от държавни или търговски структури, развитието на технологията и производството на магнитни хладилници в Русия със сигурност е възможно. Според нас е необходимо в най-близко бъдеще всички заинтересовани страни да бъдат включени в работата в тази посока.

Може би някой ден ще имаме хладилници у дома, които не работят с химически компоненти и индустриални охладители. Те ще работят на базата на магнитни охладителни системи, които от своя страна ще използват приблизително същите магнити, с които мнозина от нас са си играли като деца – закачайки ги за големи метални предмети и повдигайки с тяхна помощ малки метални предмети.

Прилагайки магнити върху метални предмети, ние всъщност несъзнателно нагрявахме тези метални предмети. И не само защото държаха тези предмети в горещите си ръце. Факт е, че магнитните полета могат да нагряват метала. И това явление се нарича магнитокалоричен ефект. Когато металът е в покой и не се влияе от външни стимули, неговите електрони се движат във всяка възможна посока.

Въпреки това, когато доближите магнит до него, металът е изложен на магнитно поле - електроните всъщност се подреждат в редица в една и съща посока. Това е промяна в ентропията или, с други думи, ограничаване на възможността за свободно движение на електроните. Това ограничение обаче не е постоянно. Да, сега електроните не могат да се движат във всяка посока, която „искат“, но все още могат да се движат в други посоки. В този случай ентропията се увеличава чрез увеличаване на вибрациите на атомите. И вибрацията на атомите, или по-скоро енергията на тяхната вибрация или движение, има по-общо име - топлина.

Следователно, ако донесем магнит до метала, той започва да се нагрява. Нагряващият ефект при използване на повечето метали е практически незначителен, но има метали, които се нагряват много силно в този случай. Такива метали включват например гадолиний. Изглежда, че магнитокалоричният ефект е по-подходящ за готвене на храна, отколкото за замразяване.

Този ефект обаче може да има и обратен ефект. Ако парче метал бъде изложено на магнитно поле и след това полето бъде премахнато, металът започва да се охлажда.

Повечето магнитни хладилници, които в момента се тестват в научни лаборатории, могат да охлаждат малки предмети, използвайки този метод. Върху метала, изложен на магнитното поле, се нанася специално вещество, най-често хелий. Това вещество отнема прекомерната топлина, металът се охлажда и след това магнитното поле се премахва, правейки метала много студен.

Достатъчно хладен, за да се използва като охладител. Принципът на магнитното охлаждане е известен от доста време, но използването му у дома все още изглежда като несбъдната мечта. Да се ​​надяваме, че евентуалните възможности на магнитните охладителни системи, тяхната ефективност, безшумност и намалената нужда от химически хладилни агенти могат един ден да ги изведат на пазара.

МАГНИТНО ОХЛАЖДАНЕ- метод за получаване на ниски и свръхниски температури чрез адиабат. парамагнитно размагнитване вещества, предложени от P. Debye и W. Giauque (P. Debye, W. Giauque, 1926). Преди това този метод беше широко използван за получаване на температури от 1 до 0,01 K с помощта на парамагнетик. соли За постигане на температури в този диапазон те използват главно разтварянето на 3 He в 4 He (виж. Криостат), но неговото значение е методът на М. о. запазен за Van Vleck's (вж. Парамагнетизъм на Ван Влек) и ядрени парамагнитни системи, чрез които е възможно да се получат температури в мили-, микро- и дори нанокелвинов диапазон.

Например, помислете за размагнитването на медта. Има два стабилни изотопа на медта: 63 Cu (69,04%) и 65 Cu (30,96%). И двата изотопа имат ядрен спин аз=3/2, стойност g-фактормед, като се вземе предвид приносът на изотопите. При температури ентропия Смедта се определя от ориентацията. степени на свобода на ядрените магнити. моменти, тъй като електронните и степените на свобода при толкова ниски температури практически липсват („замразени“). Ентропията на един мол мед се описва с f-loy

където е моларната ядрена константа на Кюри, X A*m 2 - ядрена магнетон ,- магнитна константа, R - , N A - Константа на Авогадро, V- външен маг. поле, b- ефективно поле, индуцирано върху медно ядро ​​от съседни ядра. Температурни зависимости на ентропията на медта, поставена в различни външни условия. маг. полета, показани на фиг.

Ентропийна диаграма на процеса на магнитно охлаждане на система от медни ядра с аз= 3/2. . Криви линии - ентропийни зависимости Сна температурата Tв магнитни полета с индукция IN, равно на 8 T, 50 mT и 0,3 mT.

Процесът на ядрено размагнитване на медта се извършва на етапи. Първоначално медта се охлажда в силно магнитно поле. поле (до точка B на фигурата). В същото време външни Хладилникът, който обикновено е криостат за разтваряне, премахва топлината от медта. След това се извършва адиабатен процес. размагнитване (B-C на фигурата), което се случва при запазване на ентропията на медта. Скоростта на този процес обикновено се избира така, че топлинните загуби поради токовете на Фуко да са незначителни. Крайна темп. Tкъм подсистемата на медните ядра се определя от стойностите на началното и крайното размагнитващо поле ( б H и INДа се ) и без да се вземат предвид топлинните загуби по време на размагнитването е равно на

Ядрена топлинна мощност СЪСмед след размагнитване също зависи от големината на крайното поле

След демагнетизиране основната подсистема може да се използва като охлаждаща течност за охлаждане на други системи (VG процес), а след това медта се магнетизира отново (GA процес). На фиг. Илюстриран е и експеримент за дълбоко охлаждане на медни ядра (B-D), при който е възможно да се получи ядрена температура от 10 nK.

Практичен прилагане на метода на M. o. ограничени от сравнително слаб магнитен контакт. подсистеми с други подсистеми на материята. В резултат на това, когато подсистема от медни ядра се охлади до K, електроните на проводимостта остават охладени само до , а течният хелий може да бъде охладен само до (поради Температурен скок на Капица). От друга страна, количеството топлина, което една система от ядрени завъртания може да абсорбира, е толкова по-малко, колкото по-ниска е температурата. Следователно, когато ядреното размагнитване се използва като метод за охлаждане, температурата на ядрената подсистема обикновено се поддържа близка до температурата на охладените проби.

Една от разновидностите на метода M. o. е т.нар метод за охлаждане на ядра във въртяща се координатна система. Методът е ефективен при термичен контакт на ядрената подсистема (спин ядрена система) с други подсистеми на материята е пренебрежимо малка. При този метод спиновата система е непрекъснато изложена на радиочестотно поле, което може да се счита за стационарно, ако за спиновете се въведе координатна система, въртяща се с честотата на полето. При преминаване към въртяща се координатна система към външна. маг. поле INнеобходимо е да се добави ефективно поле - честота, -

Диаграмата на нивата на атомите в кристалите ще ни помогне да разберем един интересен метод за охлаждане, който може да бъде изобретен само с добро познаване на квантовата механика.

При ниски температури почти всички движения спират - транслационни, ротационни. Въпреки това, дори при температури под 1 K, завъртанията на атомите продължават да се държат като атоми на идеален газ - те обменят енергия (макар и слабо) и тяхното положение в пространството (техните проекции върху посоката на магнитното поле) може да се промени почти свободно. В елементи като редкоземни елементи, електроните запълват вътрешните обвивки на атомите и техните завъртания са почти нечувствителни към други електрони. Следователно магнитните моменти се държат така, сякаш са свободни.

Методът за получаване на свръхниски температури - магнитно охлаждане - се основава на това свойство на електроните.

Ако приложите магнитно поле към кристал, съдържащ атоми на редкоземни елементи и внимавате кристалът да не се нагрее (т.е. включите полето изотермично), тогава, както беше споменато, след кратко време всички магнитни моменти (ако те са положителни, тогава т.е. ако ж>0) ще бъдат инсталирани по протежение на полето, така да се каже, със стрелка на юг. Тук трябва да се подчертае, че след изключване на полето, кристалът със спиновата система не е в изотермични условия, а в адиабатни условия, т.е. той е термоизолиран. Ако сега бързо изключите магнитното поле, ще се появи необичайна картина. Няма поле, всички завъртания са насочени в една посока, а не са разпръснати хаотично, както би трябвало да бъде в топлинно равновесие. Вярно, ние предположихме, че освен движението на спиновете, в системата не се случва нищо (пренебрегнахме движението на атомите и техните вибрации). Сега трябва да изясним картината. Атомите в кристалната решетка всъщност вибрират, защото решетката има определена температура T. Интензивността на трептенията се определя от тази стойност T. Движението на атомите също се предава на завъртания, тъй като когато зарядите се движат, възниква слабо променливо магнитно поле. Следователно гърбовете не са в пълна изолация, а в „термос“ с температура T.

Когато с помощта на външно магнитно поле всички завъртания се подредят в една и съща посока, възниква ред, който не може да се поддържа без полето. Завъртанията трябва да променят посоката си (в резултат на взаимодействие с вибриращите атоми) и да се стремят да се подредят хаотично - така че всяка от неговите проекции да се случи с еднаква вероятност. При такъв процес трябва да се получи обмен на енергия между завъртанията и вибрациите на атомите.

=B 0)">
Ориз. 30. Адиабатно размагнитване. Ентропията като функция на температурата без поле ( б=0) и в полето ( V=V 0)

На пръв поглед обаче е трудно да се разбере в каква посока ще се пренесе енергията – дали вибрациите на атомите ще се увеличат или ще намалят.

За да отговорим на този въпрос, трябва да донесем ентропията на помощ. Ентропията на завъртанията трябва да се увеличи; това означава, че трябва да възникне топлинен поток от решетката (атомни вибрации), която е в термично равновесие, към спиновете: спиновете ще се върнат в хаотично състояние и атомните вибрации донякъде ще се смекчат.

Това означава, че кристалът се е охладил. Това следва от теорията. На фиг. Фигура 30 схематично показва как температурата и ентропията се променят в такава система. Горната крива описва зависимостта на ентропията на кристала от температурата, когато напрегнатостта на полето е нула; Долната крива показва същата зависимост при включено външно поле. И двете криви се събират в една точка при T=0. Това е следствие от теоремата на Нернст, която вече обсъдихме. Ако полето се изключи бързо, така че ентропията на кристала да не се променя (това се нарича адиабатно размагнитване), тогава температурата пада, защото точките с еднаква стойност Слежат на различни криви за различни T. Експериментите потвърдиха прогнозите. Би ли било възможно да се измисли такъв метод за охлаждане, ако не познавахте тънкостите на теорията?

Методът за магнитно охлаждане е предложен през 1926 г. от Giock в САЩ и независимо (дори няколко седмици по-рано) от Debye в Германия. С помощта на този метод бяха постигнати температури до приблизително 0,003 K. По-ниски температури не могат да бъдат получени по този начин, тъй като спиновете спират да се движат свободно; техният ред (всички гледат в една посока), който възниква поради взаимодействието между тях (както между стрелките на компаса, разположени една до друга), не се разрушава от слабото топлинно движение на атомите.

Можете да отидете дори по-ниско в температурната скала, ако използвате много големи магнитни полета - няколко Тесла. В такива полета е възможно да се ориентират магнитните моменти на ядрата и да се повторят всички описани операции не с електрони, а с ядра.

През 1956 г. Саймън по този начин достига температура от 0,000016 К. За съжаление този рекорд не е съвсем реален. Ядрата взаимодействат много слабо с електроните (това взаимодействие се нарича хиперфино) и е почти невъзможно за ядрата да получат ентропия от решетката. Ядрата всъщност се нагряват бавно, а температурата на решетката не пада - решетката успява да възстанови загубената топлина от околната среда (въпреки всякакви трикове на експериментаторите). Пътят към областта на миликелвините (хилядни от келвин) изглеждаше затворен. Как да охладим до 0,001 К и по-ниско не илюзорна система от завъртания, а парче материя?

Оказа се, че и това е възможно!

Разтварянето на солта понижава температурата на разтвора. Този прост и добре познат ефект е помогнал на физиците. Оказа се, че ако газът хелий с атомна маса 3 (3 He) се разтвори в обикновен течен хелий, температурата на разтвора намалява. Това дава температури до 0,001 К.

Но има и по-хитър начин; той е изобретен от И. Я. Померанчук. Този метод също се свързва с 3 He.

За да се разбере в какво се състои този метод, е необходимо да се начертаят ентропийните криви на две фази на 3 He - твърда и течна - близо до абсолютната нула (фиг. 31). Според квантова механика, при абсолютна нулавсички системи са в най-ниското си състояние и ентропията на това състояние е нула * - енергията е минимална. В този случай, което е много важно, ентропията на двете фази (течна и твърда) при 0 е една и съща, преходът от една фаза към друга става без промяна в ентропията, без промяна в енергията. Това свойство е постулирано от Нернст и е една от формулировките на третия закон на термодинамиката.

* (По-точно се превръща в константа, еднаква за двете фази. Сравняването на абсолютните стойности на ентропията на различни вещества, които не се трансформират едно в друго, няма смисъл.)

>
Ориз. 31. Ентропия 3 Не е в течна и твърда фаза

За метода на Померанчук е важно кривите да са разположени така, че при една и съща температура ентропията на твърдата фаза да е по-голяма от ентропията на течната фаза. Ако кривите бяха подредени по различен начин, методът нямаше да съществува.

Същността на метода може да се разбере на фиг. 29. Ако процесът на охлаждане се извършва чрез адиабатно компресиране на течността и прехвърлянето й в твърда фаза, тогава, както се вижда от фигурата, температурата 3 няма да намалее. Така сега е получена температура от около 0,001 K. При 0,002 K течният 3 He става, подобно на 4 He, свръхфлуиден и в тази област се образува необичайно сложен и интересен свят физични явления. Тяхното описание, за съжаление, вече е извън обхвата на нашата тема.

Външно методът на Померанчук е подобен на магнитното охлаждане. Всъщност тази аналогия е още по-дълбока. Целият ефект се дължи на факта, че ядрата на 3 He нямат спин (ядрата на обикновения 3 He нямат спин). В течния 3He спиновете при много ниски температури са подредени, подредени успоредно един на друг.В ​​твърдия 3He същите тези спинове са „разпръснати“ в безпорядък до температура от около 0,003 K. Преходът от течност към следователно твърдото състояние е подобно на адиабатното изключване на магнитното поле (спиновете са разпръснати), а обратният преход е намагнитване. Ентропията на твърдата фаза (при същата температура) е по-голяма от ентропията на течността поради завъртания. Трябва да се има предвид, че всъщност картината на разположението на спиновете в твърдо 3 не е по-сложна, но описаната схема е достатъчна, за да обясни ефекта.

Физиката на ниските температури навлезе в нова ера. Регионът millikelvin обещава още много изненади.