Магнитокалорический эффект (МКЭ) – магнитотепловое явление, возникающее при воздействии магнитного поля на вещество, обладающее магнитными свойствами. При наложении на магнетик магнитного поля также происходит изменение теплоемкости – важнейшего параметра, необходимого для расчета многих термодинамических величин, в частности, для расчета изменения магнитной энтропии. Данные по изменению магнитной энтропии позволяют делать вывод о магнитном упорядочении магнитоактивных веществ. Актуальность изучения магнитокалорического эффекта и теплоемкости магнетиков в магнитных полях состоит в следующем. Во-первых, экспериментальное исследование магнитокалорического эффекта в комплексе с исследованием теплоемкости магнитного материала позволяет получить дополнительные сведения о природе магнитного упорядоченного состояния, а также взаимосвязи магнитных и тепловых характеристик. Во-вторых, интерес к изучению магнитокалорического эффекта связан с возможностью получения информации о магнитных фазовых переходах в магнитных материалах, поскольку наибольших значений величина МКЭ достигает в области фазовых переходов. В-третьих, экспериментальные данные по МКЭ и теплоемкости позволяют рассчитать изменение магнитной энтропии, изменение энтальпии и изменение удельной намагниченности магнетика при наложении магнитного поля, что дополняет сведения о поведении магнетика в магнитных полях. И, наконец, существенным фактором, стимулирующим исследование магнитокалорического эффекта, является возможность практического применения МКЭ. Так, обратимое изменение температуры, т.е. магнитокалорический эффект, используется для достижения сверхнизких температур при адиабатическом размагничивании. Кроме того, используя магнитокалорический эффект, можно создать магнитные холодильные устройства, в которых магнитный материал использовался бы в качестве рабочего тела вместо газа, а процесс намагничивания –размагничивания использовался бы вместо процесса сжатия –расширения газа. Это позволяет отказаться от использования экологически небезопасных хладагентов, добиться существенного снижения потребляемой холодильными устройствами электрической энергии и значительно увеличить КПД. Таким образом, экспериментальное исследование магнитокалорического эффекта и теплоемкости имеет важное фундаментальное и практическое значение.Работа выполнена в соответствии с утвержденным планом научных исследований Учреждения Российской академии наук Института химии растворов РАН по теме: «Синтез и свойства нового класса жидких и твердых ферромагнитных наносистем с низкой температурой Кюри и аномально-высоким магнитокалорическим эффектом» (номер госрегистрации: 0120.0 602026). На различных этапах работа была поддержана грантами РФФИ (03-03-32996, 08-03-00532а) и программой Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов» (0002-251/П-08/128-134/030603-455).

Цель диссертационной работы –экспериментальное исследование калориметрическим методом магнитокалорического эффекта и теплоемкости магнетиков в температурном диапазоне 298 ÷ 353 К и в магнитных полях от 0 до 1 Тл; выявление основных закономерностей изменения МКЭ и теплоемкости в области фазовых переходов; выявление различий магнитотепловых свойств магнетика (на примере магнетита), находящегося в наносостоянии и в микрогетерогенном состоянии; расчет на основе экспериментальных данных по МКЭ и теплоемкости изменения магнитной энтропии и изменения энтальпии магнетиков в магнитных полях, а также изменения удельной намагниченности магнетика (на примере никеля); интерпретация экспериментальных и расчетных данных.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

    синтез следующих объектов исследования: магнетит (Fe3O4), маггемит (γ-Fe2O3), гематит (α-Fe2O3), феррит гадолиния GdFeO3);
    проведение элементного анализа с целью уточнения брутто-формул синтезированных в работе веществ;
    проведение дисперсионного анализа с целью нахождения функций распределения частиц по размерам и среднего размера частиц;
    определение калориметрическим методом магнитокалорического эффекта и теплоемкости магнетита, маггемита, гематита, феррита гадолиния, никеля, а также магнетитовых магнитных жидкостей на основе трансформаторного масла и полиэтилсилоксановых жидкостей ПЭС-5 и ПЭС-В-2, расчет на основе экспериментальных данных изменения магнитной энтропии и изменения энтальпии магнетиков в магнитных полях, а также изменения удельной намагниченности.

Для экспериментального исследования магнитокалорического эффекта и теплоемкости магнетиков в температурном диапазоне 298 ÷ 353 К и в магнитных полях 0 ÷ 1 Тл в работе впервые был использован калориметрический метод. Для выявления различий магнитотепловых свойств магнетика, находящегося в наносостоянии и в микрогетерогенном состоянии, впервые использовались магнетитовые магнитные жидкости на разных основах.

    В работе впервые было установлено, что для наноразмерного стабилизированного магнетита в магнитных жидкостях величина магнитокалорического эффекта превышает величину МКЭ магнетита в микрогетерогенном состоянии;
    наноразмерный магнетит в магнитных жидкостях в температурном диапазоне 336 ÷ 340 К претерпевает магнитный фазовый переход «порядок-порядок»;
    теплоемкость наноразмерного магнетита в магнитных жидкостях в нулевом поле превышает теплоемкость магнетита в микрогетерогенном состоянии;
    нестабилизированный высокодисперсный магнетит в ходе окислительного процесса переходит в гематит;
    теплоемкость магнетика сильно зависит от величины магнитного поля.

Автор:  Арефьев Игорь Михайлович
18 апреля 2009
Нанотехнологическое сообщество "Нанометр"