На диаграмме нанесены линии постоянной напряжённости магнитного поля Н = const. Как видно из диаграммы, энтропия парамагнитной соли сильно зависит от напряжённости Н. При этом величина энтропии S убывает на изотерме с ростом Н, т. е. при намагничивании. Эта закономерность присуща всем пара- и ферромагнетикам. Из диаграммы видно, что линии Н = const имеют на этой диаграмме перегиб. Это значит, что изомагнитная теплоёмкость

проходит через максимум при температуре, соответствующей точке перегиба линии Н = const.

Криогенные рефрижераторы на основе адиабатного размагничивания

Такой криогенный рефрижератор непрерывного действия даёт возможность поддерживать температуру ниже 1 К в течение длительного времени. Цикл Карно такого рефрижератора в Т-S диаграмме представлен на рис. 6.

Рис. 6. Т-S диаграмма цикла Карно на основе адиабатного размагничивания

60

Этот цикл осуществляется между двумя изотермами: Т1 (температура гелиевой ванны) и Т2. Рабочим телом цикла является парамагнитная соль. Вдоль изотермы АВ (Т1 = const) осуществляется процесс намагничивания (теплота, выделяемая при намагничивании, отводится в гелиевую ванну). В точке В рабочее вещество имеет температуру Т1 и находится в поле с напряжённостью Н = НВ. Адиабатное размагничивание идёт по изоэнтропе ВС (S1 = const) от температуры Т1 до температуры Т2 до напряжённости Н = НС, причём НС > 0. Изотерма СD (Т2 = const) соответствует процессу отвода тепла от охлаждаемого объекта, при этом происходит дальнейшее размагничивание, т. е. понижение напряжённости внешнего магнитного поля до значения Н = НD = 0 (изотермичность этого процесса обеспечивается тем, что понижение температуры рабочего вещества за счёт размагничивания компенсируется повышением температуры за счёт подвода тепла от охлаждаемого объекта). В точке D начинается процесс адиабатного намагничивания вдоль изоэнтропы DA (S2 = const). После достижения точки А цикл повторяется.

Реализация такого цикла осуществлена в нескольких установках. Схема одной из таких установок представлена на рис. 7.

В гелиевый криостат 9 помещают рабочее тело 3 и охлаждаемый блок 1. Рабочее тело соединено с гелием свинцовым стержнем 5, а с охлаждаемым блоком – свинцовым стержнем 2. Снаружи криостата размещены основной электромагнит 7, с помощью которого осуществляется размагничивание, и вспомогательные электромагниты 6 и 8. При температуре ниже 7,2 К свинец находится в сверхпроводящем состоянии. Однако если на него воздействовать внешним магнитным полем, включив электромагниты 6 и 8, то он теряет свои сверхпроводящие свойства и переходит в обычное состояние. Теплопроводность свинца в обычном состоянии на два-три порядка выше теплопроводности в сверхпроводящем состоянии. Это свойство позволяет использовать свинцовые стержни как тепловой ключ: если вспомогательный электромагнит включён, то свинцовый стер-

61

жень находится в нормальном состоянии и хорошо проводит тепло; если электромагнит выключен, то стержень находится в сверхпроводящем состоянии и плохо проводит теплоту. Таким образом, в процессе АВ (рис. 6) электромагнит 6 включён, а электромагнит 8 выключен; рабочее тело имеет хороший контакт с гелиевой ванной 4 и теплоизолировано от охлаждаемого блока 1. В процессе СD наоборот, электромагнит 6 выключен, а 8 включён; рабочее тело теплоизолировано от гелиевой ванны и легко отбирает тепло от охлаждаемого блока 1.

Рис. 7. Схема Доунта и Хира, реализующая обратный цикл Карно с адиабатным размагничиванием

Криорефрижератор на основе магнитокалорического эффекта может реализовывать не только обратный цикл Карно, но и ряд других обратных циклов (рис. 8).

62