| малой по сравнению с Sмагн В этих условиях возникает возможность осуществить М. о.
Цикл М. о. (рис. 1) состоит из 2 стадий: 1) изотермич. намагничивания (линия АБ) и 2) адиабатич. размагничивания парамагнетика (линия БВ). Перед намагничиванием темп-ру парамагнетика при помощи жидкого гелия понижают до Т ~ 1 К и поддерживают её постоянной на протяжении всей 1-й стадии М. о. Намагничивание сопровождается выделением теплоты и уменьшением энтропии до значения SH. На 2-й стадии М. о. тепловое движение, разрушая упорядоченность спинов, приводит к увеличению Sмагн Однако в процессе адиабатич. размагничивания энтропия парамагнетика в целом не меняется. Увеличение Sмагн компенсируется уменьшением Speш т. е. охлаждением парамагнетика.
Взаимодействие спинов между собой и с кристаллич. решёткой (спин-решёточное взаимодействие) определяет темп-ру, при к-рой начинается резкий спад кривой Sмагн при Т -> 0 и становится возможным М. о. Чем слабее взаимодействие спинов, тем более низкие темп-ры можно получить методом М. о. Парамагнитные соли, применяемые для М о., позволяют достичь темп-р ~10-3К.
Значительно более низких темп-р 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 К требуются сильные магнитные поля ( ~ 107э). Практически применяют поля 105э, но тогда необходимы более низкие темп-ры (~ 0,01 К). При исходной темп-ре ~0,01 К адиабатич размагничиванием системы ядерных спинов (напр., в образце меди) удаётся достигнуть темп-ры 10-5-10-6 К. До этой темп-ры охлаждается не весь образец. Полученная темп-pa (её называют спиновой) характеризует интенсивность теплового движения в системе ядерных спинов сразу после размагничивания. Электроны же и кристаллич. решётка остаются после размагничивания при исходной темп-ре ~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 темп-ры (~10-2К 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 коэфф. теплопроводности внутри камеры 1, к-рая погружена в криостат 2 с жидким гелием 4Не. Откачкой паров гелия темп-pa в криостате поддерживается на уровне 1,0-1,2 К (применение жидкого 3Не позволяет снизить исходную темп-ру до ~0,ЗК). 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 т. о. блок соли С теплоизолируют от жидкого гелия. После размагничивания темп-pa соли понижается и может достигнуть неск. тысячных долей градуса. Запрессовывая в блок соли к.-л. вещество или соединяя вещество с блоком соли пучком тонких медных проволочек, можно охладить вещество практически до тех же темп-р Наиболее низкие темп-ры получают методом двухступенчатого М о. (рис. 2, б). Сначала производят адиабатич. размагничивание соли С и через тепловой ключ (теплопроводящую перемычку) К охлаждают предварительно намагниченную соль D. Затем, после размыкания ключа К, размагничивают соль D, к-рая при этом охлаждается до темп-ры существенно более низкой, чем была получена в блоке соли С. Тепловым ключом в установках описанного типа обычно служит проволочка из сверхпроводящего вещества, теплопроводность к-рой 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 (напр., меди), для намагничивания к-рого применяется поле напряжённостью в неск. десятков кэ. М. о. широко применяется при изучении низкотемпературных свойств жидкого гелия (сверхтекучести и др.), квантовых явлений в твёрдых телах (напр., сверхпроводимости), явлений ядерной физики и т. д.
Рис. 2. Схемы установок для магнитного охлаждения: а - одноступенчатого (N, 5 - полюсы электромагнита), 6 - двухступенчатого.
Лит.: В о н с о в с к и и С. В., Магнетизм, М., 1971, с. 368-382; физика низких температур, под общ. ред. А. И. Шальни-кова, пер. с англ., М., 1959, с. 421-610; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; Амблер Е. и Хадсон Р. П., Магнитное охлаждение, "Успехи физических наук", 1959, т. 67, в. 3. А. Б. Фрадков.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, силовое поле, действующее на движущиеся электрич. заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В, к-рый 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 электрич , так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классич. теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория - в 20-х гг. 20 в. (см. Квантовая теория поля).
Источниками макроскопич. 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 - мулътиполя).
Переменное М. п. возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени М. п. возникает электрич. поле. Полное описание электрич. и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики М. п. часто вводят силовые линии поля (линии магнитной индукции). Ка-сательная 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., напр., рис. 1).
Для М. п. наиболее характерны след. проявления.
1. В постоянном однородном М. п. на магнитный диполь с магнитным моментом рт действует вращающий момент N = [Рт В] (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 электрич. заряда имеет вид спирали с кривизной, обратно пропорциональной скорости (рис. 1, б). Искривление траектории электрич. зарядов под действием силы Лоренца сказывается, напр., в перераспределении тока по сечению проводника При внесении его в М. п. Этот эффект лежит в основе гальваномагнитных, термомагнитных и др. родственных им явлений.
3. В пространственно неоднородном М. п. на магнитный диполь действует сила F, перемещающая диполь в направлении градиента поля: F = grad (pm В); так, пучок атомов, содержащий атомы с противоположно ориентированными магнитными моментами, в неоднородном М. п. разделяется на два расходящихся пучка (рис. 1, в).
Рис. 1. я- действие однородного постоянного магнитного поля на магнитную стрелку, виток с током I и атомный диполь (е- электрон атома); б -действие однородного постоянного магнитного поля на свободно движущиеся электрические заряды a (их траектория в общем случае имеет вид спирали); в-разделение пучка магнитных диполей в неоднородном магнитном поле; г -возникновение тока индукции в витке при усилении внешнего магнитного поля В (стрелками показано направление тока индукции и создаваемого магнитного поля Bинд). Здесь Рт - магнитный момент, q - электрический заряд, v - скорость заряда.
4. М. п., непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрич. заряды и приводит их в движение; возникающий при этом в контуре ток Iинд (рис. 1, г) своим М. п. Винд противодействует изменению первоначального М. п. (см. Индукция электромагнитная ).
Магнитная индукция В определяет среднее макроскопич. М. п., создаваемое в данной точке поля как токами проводимости (движением свободных носителей зарядов), так и имеющимися намагниченными телами (ионами и атомами вещества). М. п., созданное токами проводимости и не зависящее от магнитных свойств вещества, характеризуется вектором напряжённости магнитного поля Н = = В - 4Пи*J или Н = (В/nо) - J (соответственно в СГС системе единиц и Международной системе единиц). В этих соотношениях вектор J - намагниченность вещества (магнитный момент единицы его объёма), nо -магнитная постоянная.
Отношение n = В/n0Н, определяющее магнитные свойства вещества, наз, его магнитной проницаемостью. В зависимости от величины ц вещества делят на диамагнетики (n<1) и парамагнетики n>1), вещества с n>>1 наз. ферромагнетиками.
Объёмная плотность энергии М. п. в отсутствии ферромагнетикоэ: Wч = nН2/8Пи или Wм = BH/8Пи (в единицах СГС); Wм = nnоН2/2 или ВН/2 (в единицах СИ). В общем случае, где пределы интегрирования определяются начальными и конечными значениями магнитной индукции В, сложным образом зависящей от поля Н.
[1512-10.jpg]
Для измерения характеристик М. п. и магнитных свойств веществ применяют различного типа магнитометры. Единицей индукции М. п. в системе единиц СГС является гаусс (гс), в Международной системе единиц - тесла (тл), 1 тл = 104 гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (э) и амперах на метр(а/м), 1 а/м = 4Пи/103 э~0,01256э; энергия М. п.- в эрг/см3или дж/м3', 1 дж/м3= 10 эрг/см3.
Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. М. п. Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70-80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении (см. Земля). У поверхности Земли М. п. равно в среднем 0,5 гс, на границе магнитосферы ~ 10-3 гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве М. п. образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий - радиационный пояс Земли. Содержащиеся в ра-диац. поясе частицы представляют значит, опасность при полётах в космос. Происхождение М. п. Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре (см. Земной магнетизм).
Непосредств. измерения при помощи космич. аппаратов показали, что ближайшие к Земле космич. тела - Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного М. п., подобного земному. Из др. планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными М. п., достаточными для создания планетарных магнитных ловушек. На Юпитере обнаружены М. п. до 10 гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и др.), указывающих на значительную роль М. п. в планетарных процессах.
Межпланетное М. п.- это гл. обр. поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное поле ~ 10-4-10-5 гс. Силовые линии регулярного межпланетного М. п. имеют вид идущих от Солнца раскручивающихся спиралей (их форма обусловлена сложением радиального движения плазмы и вращения Солнца). М. п. межпланетной плазмы имеет секторную структуру: в одних секторах оно направлено от Солнца, |
