МАГНИТОКАЛОРИ́ЧЕСКИЙ ЭФФЕ́КТ

МАГНИТОКАЛОРИ́ЧЕСКИЙ ЭФФЕ́КТ, из­ме­не­ние тер­мо­ди­на­мического (те­п­ло­во­го) со­стоя­ния маг­нит­но­го ма­те­риа­ла при из­ме­не­нии сте­пе­ни его маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния (маг­нит­но­го со­стоя­ния). Из­ме­не­ние те­п­ло­во­го со­стоя­ния об­раз­ца про­яв­ля­ет­ся как из­ме­не­ние его темп-ры и как из­ме­не­ние маг­нит­ной час­ти эн­тро­пии об­раз­ца и, со­от­вет­ст­вен­но, ха­рак­те­ри­зу­ет­ся дву­мя ве­ли­чи­на­ми – адиа­ба­тич. из­ме­не­ни­ем темп-ры $ΔT$ и изо­тер­мич. из­ме­не­ни­ем маг­нит­ной час­ти эн­тро­пии $ΔS_м$.

В про­стей­шем слу­чае твёр­до­го те­ла ре­шё­точ­ную часть эн­тро­пии $S_{реш}$, ха­рак­те­ри­зую­щую те­п­ло­вое со­стоя­ние ре­шёт­ки и дви­же­ние её ато­мов, мож­но свя­зать с кри­стал­лич. ре­шёт­кой, а с маг­нит­ной под­сис­те­мой – маг­нит­ную часть эн­тро­пии $S_м$, ха­рак­те­ри­зую­щую сте­пень упо­ря­до­чен­но­сти маг­нит­ной под­сис­те­мы. Пол­ная эн­тро­пия $S$ ма­те­риа­ла пред­став­ля­ет со­бой сум­му маг­нит­но­го и ре­шё­точ­но­го вкла­дов в эн­тро­пию: $S = S_{реш}+S_м$. При по­ме­ще­нии ма­те­риа­ла в маг­нит­ное по­ле сте­пень его маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния из­ме­нит­ся, что вы­зо­вет из­ме­не­ние маг­нит­ной час­ти эн­тро­пии на ве­ли­чи­ну $ΔS_м$. Ес­ли про­цесс про­ис­хо­дит в адиа­ба­тич. ус­ло­ви­ях, ко­гда ма­те­ри­ал не по­лу­ча­ет и не от­да­ёт те­п­ло­ту, и из­ме­не­ние его пол­ной эн­тро­пии рав­но ну­лю ($ΔS = 0$), то из­ме­не­ние маг­нит­ной час­ти эн­тро­пии долж­но вы­звать со­от­вет­ст­вую­щее из­ме­не­ние ре­шё­точ­ной час­ти эн­тро­пии: $ΔS_{реш} = –ΔS_м$. Из­ме­не­ние ре­шё­точ­ной час­ти эн­тро­пии оз­на­ча­ет из­ме­не­ние те­п­ло­во­го со­стоя­ния ма­те­риа­ла (при этом пред­по­ла­га­ет­ся, что из­ме­не­ние элек­трон­ной час­ти эн­тро­пии, свя­зан­ной со сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми ма­те­риа­ла, малó). Та­ким об­ра­зом, М. э. воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те из­ме­не­ния сте­пе­ни упо­ря­до­чен­но­сти маг­нит­ной под­сис­те­мы ма­те­риа­ла и взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду кри­стал­лич. ре­шёт­кой и маг­нит­ной под­сис­те­мой. В ре­зуль­та­те та­ко­го взаи­мо­дей­ст­вия энер­гия, тра­тив­шая­ся до упо­ря­до­че­ния маг­нит­ных мо­мен­тов на их ра­зо­ри­ен­та­цию, пе­ре­хо­дит в энер­гию те­п­ло­вых ко­ле­ба­ний ато­мов кри­стал­лич. ре­шёт­ки, что вы­зы­ва­ет из­ме­не­ние темп-ры ма­те­риа­ла.

Зависимость полной энтропии ферромагнитного материала от температуры в отсутствие магнитного поля (Н=0, верхняя кривая) и при его наличии (Н≠0, нижняя кривая).

На рис. пред­став­ле­ны за­ви­си­мо­сти пол­ной эн­тро­пии фер­ро­маг­нит­но­го ма­те­риа­ла от темп-ры при от­сут­ст­вии маг­нит­но­го по­ля ($H = 0$) и в маг­нит­ном по­ле ($H ≠ 0$). Ес­ли фер­ро­маг­нит­ный об­ра­зец, на­хо­дя­щий­ся при темп-ре $T_1$ в от­сут­ст­вие маг­нит­но­го по­ля (точ­ка А на рис.), по­мес­тить в маг­нит­ное по­ле напряжённостью $H$ при адиа­ба­тич. ус­ло­ви­ях (из­ме­не­ние пол­ной эн­тро­пии $ΔS = 0$), то про­изой­дёт его пе­ре­ход из тер­мо­ди­на­мич. со­стоя­ния А в тер­мо­ди­на­мич. со­стоя­ние В. При этом пе­ре­хо­де темп-ра об­раз­ца из­ме­нит­ся на ве­ли­чи­ну адиа­ба­тич. из­ме­не­ния темп-ры $ΔT = T_2 - T_1$. Ес­ли про­цесс про­во­дит­ся не адиа­ба­ти­че­ски, а изо­тер­ми­че­ски, т. е. с те­п­ло­об­ме­ном с ок­ру­жаю­щей сре­дой при со­хра­не­нии на­чаль­ной темп-ры об­раз­ца $T_1$, то об­ра­зец пе­ре­хо­дит из со­стоя­ния А в со­стоя­ние С. При этом пе­ре­хо­де его пол­ная эн­тро­пия ме­ня­ет­ся на ве­ли­чи­ну изо­тер­мич. из­ме­не­ния маг­нит­ной час­ти эн­тро­пии $ΔS_м = S_2 - S_1$.

М. э. от­крыт нем. фи­зи­ком Е. Вар­бур­гом в же­ле­зе в 1881. В даль­ней­шем М. э. в осн. ис­сле­до­вал­ся при низ­ких темп-рах в па­ра­маг­нит­ных со­лях разл. ме­тал­лов, что бы­ло свя­за­но с его ис­поль­зо­ва­ни­ем для маг­нит­но­го ох­ла­ж­де­ния. В по­след­ние де­ся­ти­ле­тия ин­те­рес к М. э. воз­рос в свя­зи с воз­мож­но­стью его прак­тич. при­ме­не­ния в тех­но­ло­гии маг­нит­но­го ох­ла­ж­де­ния как в об­лас­ти крио­ген­ных, так и в об­лас­ти ком­нат­ных тем­пера­тур. Ис­сле­до­ва­ны маг­ни­то­ка­ло­рич. свой­ст­ва боль­шо­го чис­ла ма­те­риа­лов с разл. ти­па­ми маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния – фер­ро­маг­нит­но­го, ан­ти­фер­ро­маг­нит­но­го, фер­ри­маг­нит­но­го и слож­ны­ми ти­па­ми не­кол­ли­не­ар­ных маг­нит­ных струк­тур. Макс. зна­че­ний М. э. дос­ти­га­ет в об­лас­ти маг­нит­ных фа­зо­вых пе­ре­хо­дов по­ря­док – бес­по­ря­док (маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ное – па­ра­маг­нит­ное со­стоя­ние) и по­ря­док – по­ря­док (пе­ре­хо­ды со сменой ти­па маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния). Наи­боль­шие ве­ли­чи­ны М. э. об­на­ру­же­ны при маг­нит­ных фа­зо­вых пе­ре­хо­дах 1-го ро­да, а так­же в слу­чае, ко­гда маг­нит­ный пе­ре­ход со­про­во­ж­да­ет­ся струк­тур­ным пе­ре­хо­дом. Макс. ве­ли­чи­на М. э. на­блю­да­лась при фа­зо­вом пе­ре­хо­де 1-го ро­да по­ря­док – по­ря­док в ин­тер­ме­тал­ли­де Fe₄₉Rh₅₁, в ко­то­ром от­но­сит. ве­личи­ны адиа­ба­тич. из­ме­не­ния темп-ры и изо­тер­мич. из­ме­не­ния эн­тро­пии со­став­ля­ют $ΔT/ΔH$ = 7,08 К/Тл, $ΔS_м/ΔH$ = 24,6 Дж/(кг· К· Тл) со­от­вет­ст­вен­но. Су­ще­ст­вен­ных ве­ли­чин М. э. дос­ти­га­ет в со­еди­не­нии Gd₅Ge₂Si₂ [$ΔT/ΔH$ = 3,7 К/Тл, $ΔS_м/ΔH$ = –7 Дж/(кг·К·Тл)], в ко­то­ром маг­нит­ный фа­зо­вый пе­ре­ход со­про­во­ж­да­ет­ся струк­тур­ным пе­ре­хо­дом.

Ве­ли­чи­ны $ΔT$ и $ΔS_м$, ха­рак­те­ри­зую­щие М. э., оп­ре­де­ля­ют ли­бо пря­мым ме­то­дом (напр., с по­мо­щью дат­чи­ка темп-ры из­ме­ря­ют из­ме­не­ние темп-ры об­раз­ца, на­маг­ни­чи­вае­мо­го в адиа­ба­тич. ус­ло­ви­ях), ли­бо вы­чис­ля­ют кос­вен­ным об­ра­зом на ос­но­ве из­ме­ре­ний на­маг­ни­чен­но­сти или те­п­ло­ём­ко­сти об­раз­ца. Из из­ме­ре­ний на­маг­ни­чен­но­сти мож­но вы­чис­лить $ΔS_м$ с по­мо­щью со­от­но­ше­ния Мак­свел­ла:$$\left( \frac{\partial S}{\partial H}\right)_{T,p}=\left( \frac{\partial M}{\partial T}\right)_{H,p},$$где $M$ – на­маг­ни­чен­ность, $T$ – темп-ра, $p$ – дав­ле­ние. На ос­но­ве дан­ных из­ме­ре­ний тем­пе­ра­тур­ных за­ви­си­мо­стей те­п­лоём­ко­сти в от­сут­ст­вие маг­нит­но­го по­ля и при его на­ли­чии вы­чис­ля­ют­ся тем­пе­ра­тур­ные за­ви­си­мо­сти эн­тро­пии $S(H = 0,T)$ и $S(H,T)$, из ко­то­рых за­тем оп­ре­де­ля­ют­ся за­ви­си­мо­сти $ΔT(H,T)$ и $ΔS_м(H,T)$ (рис.).