Большая Советская Энциклопедия (МА) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" (бесплатные версии книг txt) 📗

  Взаимодействие спинов между собой и с кристаллической решёткой (спин-решёточное взаимодействие) определяет температуру, при которой начинается резкий спад кривой S_магн при Т ® 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 ~ 10^-3 К.

  Значительно более низких температур удалось достигнуть, используя парамагнетизм уже не атомов (ионов), а атомных ядер. Магнитные моменты ядер примерно в тысячу раз меньше спиновых магнитных моментов электронов, определяющих моменты парамагнитных ионов. Поэтому взаимодействие ядерных магнитных моментов значительно слабее взаимодействия моментов ионов. Для намагничивания до насыщения системы ядерных магнитных моментов даже при Т = 1 K требуются сильные магнитные поля (~ 10⁷ э ). Практически применяют поля 10⁵ э, но тогда необходимы более низкие температуры (~ 0,01 К). При исходной температуре ~ 0,01 K адиабатическим размагничиванием системы ядерных спинов (например, в образце меди) удаётся достигнуть температуры 10^-5 —10^-6 К. До этой температуры охлаждается не весь образец. Полученная температура (её называют спиновой) характеризует интенсивность теплового движения в системе ядерных спинов сразу после размагничивания. Электроны же и кристаллическая решётка остаются после размагничивания при исходной температуре ~ 0,01 К. Последующий обмен энергией между системами ядерных и электронных спинов (посредством спин-спинового взаимодействия ) может привести к кратковременному охлаждению всего вещества до Т ~ 10^-4 К. Измеряют низкие температуры (~ 10^-2 К и ниже) методами магнитной термометрии . Практически М. о. осуществляют следующим способом (рис. 2 , а). Блок парамагнитной соли С помещается на подвесках из материала с малым коэффициентом теплопроводности внутри камеры 1, которая погружена в криостат 2 с жидким гелием ⁴ He. Откачкой паров гелия температура в криостате поддерживается на уровне 1,0—1,2 К (применение жидкого ³ He позволяет снизить исходную температуру до ~ 0,3 К). Теплота, выделяющаяся в соли во время намагничивания, отводится к жидкому гелию газом, заполняющим камеру 1. Перед выключением магнитного поля газ из камеры 1 откачивают через кран 4 и таким образом блок соли С теплоизолируют от жидкого гелия. После размагничивания температура соли понижается и может достигнуть нескольких тысячных долей градуса. Запрессовывая в блок соли какое-либо вещество или соединяя вещество с блоком соли пучком тонких медных проволочек, можно охладить вещество практически до тех же температур. Наиболее низкие температуры получают методом двухступенчатого М. о. (рис. 2 , б). Сначала производят адиабатическое размагничивание соли С и через тепловой ключ (теплопроводящую перемычку) К охлаждают предварительно намагниченную соль D. Затем, после размыкания ключа К, размагничивают соль D, которая при этом охлаждается до температуры существенно более низкой, чем была получена в блоке соли С. Тепловым ключом в установках описанного типа обычно служит проволочка из сверхпроводящего вещества, теплопроводность которой в нормальном и сверхпроводящем состояниях при Т ~ 0,1 К различается во много раз. По схеме рис. 2 , б осуществляют и ядерное размагничивание с тем отличием, что соль D заменяют образцом (например, меди), для намагничивания которого применяется поле напряжённостью в несколько десятков кэ.

  М. о. широко применяется при изучении низкотемпературных свойств жидкого гелия (сверхтекучести и других), квантовых явлений в твёрдых телах (например, сверхпроводимости ), явлений ядерной физики и т.д.

  Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, с. 368—382; Физика низких температур, под общей редакцией А. И. Шальникова, перевод с английского, М., 1959, с. 421—610; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, перевод с английского, М., 1971; Амблер Е. и Хадсон Р. П., Магнитное охлаждение, «Успехи физических наук»,1959, т. 67, в. 3.

  А. Б. Фрадков.

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

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

Магнитное поле

Магни'тное по'ле, силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом , независимо от состояния их движения. М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В, который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (см. Лоренца сила ); действие М. п. на тела, имеющие магнитный момент, а также другие свойства М. п.

  Впервые термин «М. п.» ввёл в 1845 М. Фарадей , считавший, что как электрические так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах 20 века (см. Квантовая теория поля ).

  Источниками макроскопического М. п. являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: М. п. возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента (см. Магнетизм ).

  М.. п. электрического тока определяется Био — Савара законом : М. п. тел, имеющих магнитный момент, — формулами, описывающими поле магнитного диполя (в общем случае — мультиполя ).

  Переменное М. п. возникает также при изменении во времени электрического поля . В свою очередь, при изменении во времени М. п. возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения . Для характеристики М. п. часто вводят силовые линии поля (линии магнитной индукции). Касательная в каждой точке такой линии имеет направление вектора В в этой точке. Числом силовых линий, проходящих через единичную перпендикулярную к ним площадку, количественно определяют индукцию поля. В местах повышенных значений В линии индукции сгущаются, в тех же местах, где поле слабее, линии расходятся (см., например, рис. 1 ).

  Для М. п. наиболее характерны следующие проявления.

  1. В постоянном однородном М. п. на магнитный диполь с магнитным моментом p_m действует вращающий момент N = [р_mВ ] (так, магнитная стрелка в М. п. поворачивается по полю; виток с током I , также обладающий магнитным моментом, стремится занять положение, при котором его плоскость была бы перпендикулярна линиям индукции; атомный диполь прецессирует вокруг силовой линии с характеристической частотой; рис. 1 , а).

  2. В постоянном однородном М. п. действие силы Лоренца приводит к тому, что траектория движения электрического заряда имеет вид спирали с кривизной, обратно пропорциональной скорости (рис. 1 , б). Искривление траектории электрических зарядов под действием силы Лоренца сказывается, например, в перераспределении тока по сечению проводника при внесении его в М. п. Этот эффект лежит в основе гальваномагнитных, термомагнитных и других родственных им явлений.