Температура Кюри - Curie temperature

Рис. 1. Ниже температуры Кюри соседние магнитные спины выстраиваются параллельно друг другу в ферромагнетике в отсутствие приложенного магнитного поля.
Рис. 2. Выше температуры Кюри магнитные спины в парамагнетике выстраиваются случайным образом, если не применяется магнитное поле.

В физике и науки о материалах , в температуре Кюри ( Т С ), или точки Кюри , является температура , выше которой некоторые материалы теряют свои постоянные магнитные свойства, которые могут (в большинстве случаев) быть заменены индуцированного магнетизма . Температура Кюри названа в честь Пьера Кюри , который показал, что магнетизм теряется при критической температуре.

Сила магнетизма определяется магнитным моментом , дипольным моментом внутри атома, который возникает из углового момента и спина электронов. Материалы имеют различную структуру собственных магнитных моментов, которые зависят от температуры; Температура Кюри - это критическая точка, в которой собственные магнитные моменты материала меняют направление.

Постоянный магнетизм вызывается выравниванием магнитных моментов, а индуцированный магнетизм создается, когда неупорядоченные магнитные моменты вынуждены выравниваться в приложенном магнитном поле. Например, упорядоченные магнитные моменты ( ферромагнетик , рис. 1) изменяются и становятся неупорядоченными ( парамагнитными , рис. 2) при температуре Кюри. Более высокие температуры делают магниты слабее, поскольку спонтанный магнетизм возникает только при температуре ниже температуры Кюри. Магнитная восприимчивость выше температуры Кюри может быть рассчитана по закону Кюри – Вейсса , который выводится из закона Кюри .

По аналогии с ферромагнетиками и парамагнетиками температура Кюри также может использоваться для описания фазового перехода между сегнетоэлектричеством и параэлектричеством . В этом контексте параметром порядка является электрическая поляризация, которая изменяется от конечного значения до нуля при повышении температуры выше температуры Кюри.

Температура Кюри материалов
Материал
Температура Кюри (K)
° C ° F
Железо (Fe) 1043 770 1418
Кобальт (Co) 1400 1130 2060
Никель (Ni) 627 354 669
Гадолиний (Gd) 292 19 66
Диспрозий (Dy) 88 −185,2 −301,3
Висмутид марганца (MnBi) 630 357 674
Антимонид марганца (Mn Sb ) 587 314 597
Оксид хрома (IV) (CrO 2 ) 386 113 235
Арсенид марганца (Mn As ) 318 45 113
Оксид европия ( Eu O) 69 -204,2 −335,5
Оксид железа (III) (Fe 2 O 3 ) 948 675 1247
Оксид железа (II, III) (FeOFe 2 O 3 ) 858 585 1085
NiO – Fe 2 O 3 858 585 1085
Cu O – Fe 2 O 3 728 455 851
MgO – Fe 2 O 3 713 440 824
MnO – Fe 2 O 3 573 300 572
Железо-иттриевый гранат (Y 3 Fe 5 O 12 ) 560 287 548
Неодимовые магниты 583–673 310–400 590–752
Алнико 973–1133 700–860 1292–1580
Самариево-кобальтовые магниты 993–1073 720–800 1328–1472
Феррит стронция 723 450 842

Магнитные моменты

Магнитные моменты - это постоянные дипольные моменты в атоме, которые включают угловой момент и спин электрона по соотношению μ l = el / 2m e , где m e - масса электрона, μ l - магнитный момент, а l - угловой момент. ; это отношение называется гиромагнитным отношением .

Электроны в атоме вносят магнитный момент из своего углового момента и из своего орбитального момента вокруг ядра. Магнитные моменты от ядра незначительны в отличие от магнитных моментов от электронов. Тепловые вклады приводят к тому, что электроны с более высокой энергией нарушают порядок и выравнивание между диполями.

Ферромагнитные , парамагнитные , ферримагнитные и антиферромагнитные материалы имеют разные структуры собственных магнитных моментов. При определенной температуре Кюри ( T C ) материала эти свойства изменяются. Переход от антиферромагнетика к парамагнетику (или наоборот) происходит при температуре Нееля ( T N ), которая аналогична температуре Кюри.

Ниже T C Выше T C
Ферромагнетик ↔ парамагнитный
Ферримагнитный ↔ парамагнитный
Ниже T N Выше T N
Антиферромагнитный ↔ парамагнитный

Материалы с магнитными моментами, изменяющими свойства при температуре Кюри

Ферромагнитные, парамагнитные, ферримагнитные и антиферромагнитные структуры состоят из собственных магнитных моментов. Если все электроны в структуре спарены, эти моменты компенсируются из-за их противоположных спинов и угловых моментов. Таким образом, даже с приложенным магнитным полем эти материалы имеют разные свойства и не имеют температуры Кюри.

Парамагнитный

Материал парамагнитен только выше его температуры Кюри. Парамагнитные материалы немагнитны, когда магнитное поле отсутствует, и магнитны, когда магнитное поле приложено. Когда магнитное поле отсутствует, материал имеет неупорядоченные магнитные моменты; то есть магнитные моменты асимметричны и не выровнены. Когда присутствует магнитное поле, магнитные моменты временно выравниваются параллельно приложенному полю; магнитные моменты симметричны и выровнены. Магнитные моменты, выровненные в одном направлении, вызывают индуцированное магнитное поле.

Для парамагнетизма этот отклик на приложенное магнитное поле является положительным и известен как магнитная восприимчивость . Магнитная восприимчивость применима только выше температуры Кюри для неупорядоченных состояний.

Источники парамагнетизма (материалы с температурой Кюри) включают:

  • Все атомы с неспаренными электронами;
  • Атомы с неполными электронными внутренними оболочками;
  • Свободные радикалы ;
  • Металлы.

Выше температуры Кюри атомы возбуждаются, и ориентация спинов становится случайной, но может быть перестроена с помощью приложенного поля, т. Е. Материал становится парамагнитным. Ниже температуры Кюри внутренняя структура претерпела фазовый переход , атомы упорядочены, а материал ферромагнитен. Магнитные поля, индуцированные парамагнитными материалами, очень слабы по сравнению с магнитными полями ферромагнитных материалов.

Ферромагнетик

Материалы являются ферромагнитными только при температурах ниже соответствующих им температур Кюри. Ферромагнетики обладают магнитными свойствами в отсутствие приложенного магнитного поля.

Когда магнитное поле отсутствует, материал имеет спонтанную намагниченность, которая является результатом упорядоченных магнитных моментов; то есть для ферромагнетизма атомы симметричны и выровнены в одном направлении, создавая постоянное магнитное поле.

Магнитные взаимодействия удерживаются вместе обменными взаимодействиями ; в противном случае тепловой беспорядок преодолел бы слабые взаимодействия магнитных моментов. Обменное взаимодействие имеет нулевую вероятность того, что параллельные электроны займут один и тот же момент времени, что подразумевает предпочтительное параллельное расположение в материале. Фактор Больцмана вносит большой вклад, поскольку он предпочитает, чтобы взаимодействующие частицы были выровнены в одном направлении. Это заставляет ферромагнетики иметь сильные магнитные поля и высокие температуры Кюри около 1000 К (730 ° C).

Ниже температуры Кюри атомы выровнены и параллельны, вызывая спонтанный магнетизм; материал ферромагнитный. Выше температуры Кюри материал является парамагнитным, поскольку атомы теряют свои упорядоченные магнитные моменты, когда материал претерпевает фазовый переход.

Ферримагнитный

Материалы являются ферримагнитными только при температуре ниже соответствующей им температуры Кюри. Ферримагнетики являются магнитными в отсутствие приложенного магнитного поля и состоят из двух разных ионов .

Когда магнитное поле отсутствует, материал обладает спонтанным магнетизмом, который является результатом упорядоченных магнитных моментов; то есть для ферримагнетизма магнитные моменты одного иона выровнены в одном направлении с определенной величиной, а магнитные моменты другого иона выровнены в противоположном направлении с другой величиной. Поскольку магнитные моменты имеют разную величину в противоположных направлениях, все еще существует спонтанный магнетизм и магнитное поле.

Подобно ферромагнетикам, магнитные взаимодействия удерживаются вместе за счет обменных взаимодействий. Однако ориентации моментов антипараллельны, что приводит к чистому импульсу за счет вычитания их импульса друг из друга.

Ниже температуры Кюри атомы каждого иона выровнены антипараллельно с разными импульсами, вызывая спонтанный магнетизм; материал ферримагнитный. Выше температуры Кюри материал является парамагнитным, поскольку атомы теряют свои упорядоченные магнитные моменты, когда материал претерпевает фазовый переход.

Антиферромагнетик и температура Нееля

Материалы антиферромагнитного только ниже соответствующей их температуры Нееля или температуры магнитного упорядочения , T N . Это похоже на температуру Кюри, поскольку выше температуры Нееля материал претерпевает фазовый переход и становится парамагнитным. То есть тепловая энергия становится достаточно большой, чтобы разрушить микроскопическое магнитное упорядочение в материале. Он назван в честь Луи Нееля (1904–2000), получившего в 1970 году Нобелевскую премию по физике за свои работы в этой области.

Материал имеет равные магнитные моменты, выровненные в противоположных направлениях, что приводит к нулевому магнитному моменту и нулевому чистому магнетизму при всех температурах ниже температуры Нееля. Антиферромагнитные материалы слабо магнитны в отсутствие или в присутствии приложенного магнитного поля.

Подобно ферромагнетикам, магнитные взаимодействия удерживаются вместе за счет обменных взаимодействий, не позволяющих тепловому беспорядку преодолевать слабые взаимодействия магнитных моментов. Когда возникает беспорядок, это происходит при температуре Нееля.

Ниже перечислены температуры Нееля для нескольких материалов:

Вещество Температура Нееля ( K )
MnO 116
MnS 160
MnTe 307
MnF 2 67
FeF 2 79
FeCl 2 24
FeI 2 9
FeO 198
FeOCl 80
CrCl 2 25
CrI 2 12
CoO 291
NiCl 2 50
NiI 2 75
NiO 525
KFeO 2 983
Cr 308
Cr 2 O 3 307
Nd 5 Ge 3 50

Закон Кюри – Вейсса

Закон Кюри – Вейсса - это адаптированная версия закона Кюри .

Закон Кюри – Вейсса - это простая модель, полученная из приближения среднего поля , это означает, что он хорошо работает для температуры материалов T , намного превышающей их соответствующую температуру Кюри, T C , то есть TT C ; Однако не описывает магнитную восприимчивость , х , в непосредственной близости от точки Кюри из - за локальных флуктуаций между атомами.

Ни закон Кюри , ни закон Кюри-Вейсса не выполняется для T < T C .

Закон Кюри для парамагнитного материала:

Определение
χ магнитная восприимчивость; влияние приложенного магнитного поля на материал
M что магнитные моменты на единицу объема
ЧАС макроскопическое магнитное поле
B магнитное поле
C константа Кюри для конкретного материала
Число Авогадро
µ 0 проницаемость свободного пространства . Примечание: в СГС принимается равным единице.
грамм Ланда г -фактор
J ( J + 1) собственное значение для собственного состояния J 2 для стационарных состояний в неполных оболочках атомов (неспаренные электроны)
µ B Бор Magneton
k B Постоянная Больцмана
полный магнетизм это N число магнитных моментов на единицу объема

Затем закон Кюри-Вейсс выводится из закона Кюри следующим образом:

куда:

λ - постоянная молекулярного поля Вейсса.

Полный вывод см. В законе Кюри – Вейсса .

Физика

Приближение к температуре Кюри сверху

Поскольку закон Кюри-Вейсса является приближенным, более точная модель необходима , когда температура, T , приближается к температуре Кюри материала, T C .

Магнитная восприимчивость возникает выше температуры Кюри.

Точная модель критического поведения магнитной восприимчивости с критическим показателем γ :

Критический показатель различается в зависимости от материала, и для модели среднего поля принимается γ  = 1.

Поскольку температура обратно пропорциональна магнитной восприимчивости, когда T приближается к T C, знаменатель стремится к нулю, а магнитная восприимчивость приближается к бесконечности, позволяя проявиться магнетизму. Это спонтанный магнетизм, присущий ферромагнетикам и ферримагнетикам.

Приближение к температуре Кюри снизу

Магнетизм зависит от температуры, а спонтанный магнетизм возникает ниже температуры Кюри. Точная модель критического поведения спонтанного магнетизма с критическим показателем β :

Критический показатель различается в зависимости от материала и для модели среднего поля, принятой как β  = 1/2где Т « Т С .

Спонтанный магнетизм приближается к нулю, когда температура увеличивается по направлению к температуре Кюри материалов.

Приближение к абсолютному нулю (0 кельвинов)

Спонтанный магнетизм, возникающий в ферромагнитных, ферримагнитных и антиферромагнитных материалах, приближается к нулю при повышении температуры до температуры Кюри материала. Спонтанный магнетизм достигает максимума, когда температура приближается к 0 К. То есть магнитные моменты полностью выровнены и имеют максимальную величину магнетизма из-за отсутствия тепловых возмущений.

В парамагнитных материалах тепловой энергии достаточно для преодоления упорядоченного выравнивания. Когда температура приближается к 0 K , энтропия уменьшается до нуля, то есть беспорядок уменьшается, и материал становится упорядоченным. Это происходит без наличия приложенного магнитного поля и подчиняется третьему закону термодинамики .

И закон Кюри, и закон Кюри – Вейсса не работают, когда температура приближается к 0 К. Это связано с тем, что они зависят от магнитной восприимчивости, которая применяется только в том случае, если состояние неупорядочено.

Сульфат гадолиния продолжает удовлетворять закону Кюри при 1 К. Между 0 и 1 К закон не выполняется, и при температуре Кюри происходит внезапное изменение внутренней структуры.

Модель Изинга фазовых переходов

Модель Изинга основана на математике и может анализировать критические точки фазовых переходов в ферромагнитном порядке из-за спинов электронов, имеющих величину ±1/2. Спины взаимодействуют со своими соседними дипольными электронами в структуре, и здесь модель Изинга может предсказать их поведение друг с другом.

Эта модель важна для решения и понимания концепций фазовых переходов и, следовательно, решения температуры Кюри. В результате можно проанализировать множество различных зависимостей, влияющих на температуру Кюри.

Например, свойства поверхности и объема зависят от выравнивания и величины спинов, и модель Изинга может определять эффекты магнетизма в этой системе.

Домены Вейсса, поверхностные и объемные температуры Кюри

Рис. 3. Домены Вейсса в ферромагнитном материале; магнитные моменты выровнены по доменам.

Структуры материалов состоят из собственных магнитных моментов, которые разделены на домены, называемые доменами Вейсса . Это может привести к тому, что ферромагнитные материалы не будут иметь спонтанного магнетизма, поскольку домены потенциально могут уравновесить друг друга. Таким образом, частицы могут располагаться на поверхности, отличной от ориентации основной части (объема) материала. Это свойство непосредственно влияет на температуру Кюри , так как может быть объемной температура Кюри Т Б и другая температура поверхности Кюри T S для материала.

Это позволяет поверхностной температуре Кюри быть ферромагнитной выше объемной температуры Кюри, когда основное состояние неупорядочено, т.е. упорядоченные и неупорядоченные состояния возникают одновременно.

Поверхностные и объемные свойства могут быть предсказаны с помощью модели Изинга, а спектроскопия электронного захвата может использоваться для обнаружения электронных спинов и, следовательно, магнитных моментов на поверхности материала. Для расчета температуры Кюри из материала берется средний общий магнетизм, исходя из температуры в объеме и поверхности, при этом следует отметить, что объем вносит больший вклад.

Угловой момент электрона либо +час/2 или -час/2 из-за того, что у него есть вращение 1/2, который придает электрону определенную величину магнитного момента; магнетон Бора . Электроны, вращающиеся вокруг ядра в токовой петле, создают магнитное поле, которое зависит от магнетона Бора и магнитного квантового числа . Следовательно, магнитные моменты связаны между угловым и орбитальным моментом и влияют друг на друга. Угловой момент дает вдвое больший вклад в магнитные моменты, чем орбитальный.

Для тербия, который является редкоземельным металлом и имеет высокий орбитальный угловой момент, магнитный момент достаточно силен, чтобы влиять на порядок выше его объемных температур. Говорят, что он имеет высокую анизотропию на поверхности, то есть сильно направлен в одну ориентацию. Он остается ферромагнитным на своей поверхности выше своей температуры Кюри (219 К), в то время как его объем становится антиферромагнитным, а затем при более высоких температурах его поверхность остается антиферромагнитной выше его основной температуры Нееля (230 К), прежде чем стать полностью разупорядоченным и парамагнитным с повышением температуры. Анизотропия в объеме отличается от ее поверхностной анизотропии непосредственно над этими фазовыми изменениями, поскольку магнитные моменты будут упорядочены по-другому или упорядочены в парамагнитных материалах.

Изменение температуры Кюри материала

Композитные материалы

Композиционные материалы , то есть материалы, состоящие из других материалов с другими свойствами, могут изменять температуру Кюри. Например, композит, в котором есть серебро, может создавать пространства для связывания молекул кислорода, что снижает температуру Кюри, поскольку кристаллическая решетка не будет такой компактной.

Совмещение магнитных моментов в композитном материале влияет на температуру Кюри. Если моменты материалов параллельны друг другу, температура Кюри будет увеличиваться, а если перпендикулярно, температура Кюри будет уменьшаться, поскольку для разрушения выравнивания потребуется больше или меньше тепловой энергии.

Подготовка композитных материалов при различных температурах может привести к получению разных конечных композиций, которые будут иметь разные температуры Кюри. Допирование материала также может повлиять на его температуру Кюри.

Плотность нанокомпозитных материалов изменяет температуру Кюри. Нанокомпозиты - это компактные структуры в наномасштабе. Структура построена на высоких и низких объемных температурах Кюри, однако будет иметь только одну среднеполевую температуру Кюри. Более высокая плотность при более низких объемных температурах приводит к более низкой температуре Кюри среднего поля, а более высокая плотность при более высокой объемной температуре значительно увеличивает среднеполевую температуру Кюри. Более чем в одном измерении температура Кюри начинает увеличиваться, поскольку магнитным моментам потребуется больше тепловой энергии для преодоления упорядоченной структуры.

Размер частицы

Размер частиц в кристаллической решетке материала изменяет температуру Кюри. Из-за небольшого размера частиц (наночастиц) флуктуации электронных спинов становятся более заметными, что приводит к резкому снижению температуры Кюри при уменьшении размера частиц, поскольку флуктуации вызывают беспорядок. Размер частицы также влияет на анизотропию, заставляя выравнивание становиться менее стабильным и, таким образом, приводить к беспорядку в магнитных моментах.

Крайним проявлением этого является суперпарамагнетизм, который встречается только в небольших ферромагнитных частицах. В этом явлении очень сильны колебания, заставляющие магнитные моменты беспорядочно менять направление и, таким образом, создавать беспорядок.

На температуру Кюри наночастиц также влияет структура кристаллической решетки : объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная структура (ГПУ) имеют разные температуры Кюри из-за магнитных моментов, реагирующих на соседние электроны. спины. ГЦК и ГПУ имеют более плотную структуру и, как следствие, имеют более высокие температуры Кюри, чем ОЦК, поскольку магнитные моменты имеют более сильное влияние, когда они ближе друг к другу. Это известно как координационное число, которое представляет собой количество ближайших соседних частиц в структуре. Это указывает на более низкое координационное число на поверхности материала, чем в объеме, что приводит к тому, что поверхность становится менее значительной, когда температура приближается к температуре Кюри. В меньших системах координационное число для поверхности более важно, и магнитные моменты оказывают более сильное влияние на систему.

Хотя флуктуации частиц могут быть незначительными, они сильно зависят от структуры кристаллических решеток, поскольку они реагируют с ближайшими соседними частицами. На флуктуации также влияет обменное взаимодействие, так как параллельные магнитные моменты предпочтительны и, следовательно, имеют меньше возмущений и беспорядка, поэтому более плотная структура влияет на более сильный магнетизм и, следовательно, на более высокую температуру Кюри.

Давление

Давление изменяет температуру Кюри материала. Увеличение давления на кристаллическую решетку уменьшает объем системы. Давление напрямую влияет на кинетическую энергию частиц по мере того, как движение увеличивается, вызывая колебания, нарушающие порядок магнитных моментов. Это похоже на температуру, поскольку это также увеличивает кинетическую энергию частиц и разрушает порядок магнитных моментов и магнетизма.

Давление также влияет на плотность состояний (DOS). Здесь DOS уменьшается, вызывая уменьшение количества электронов, доступных системе. Это приводит к уменьшению количества магнитных моментов, поскольку они зависят от спинов электронов. Из-за этого следовало ожидать, что температура Кюри понизится; однако он увеличивается. Это результат обменного взаимодействия . Обменное взаимодействие способствует выровненным параллельным магнитным моментам из-за того, что электроны не могут занимать одно и то же пространство во времени, и поскольку оно увеличивается из-за уменьшения объема, температура Кюри увеличивается с давлением. Температура Кюри состоит из комбинации зависимостей от кинетической энергии и DOS.

Концентрация частиц также влияет на температуру Кюри при приложении давления и может привести к снижению температуры Кюри, когда концентрация превышает определенный процент.

Орбитальный заказ

Орбитальное упорядочение изменяет температуру Кюри материала. Орбитальным порядком можно управлять с помощью приложенных деформаций . Это функция, которая определяет волну одиночного электрона или парных электронов внутри материала. Наличие контроля над вероятностью того, где будет находиться электрон, позволяет изменять температуру Кюри. Например, делокализованные электроны могут перемещаться на одну и ту же плоскость за счет приложенных деформаций внутри кристаллической решетки.

Видно, что температура Кюри сильно увеличивается из-за того, что электроны упакованы вместе в одной плоскости, они вынуждены выстраиваться из-за обменного взаимодействия и, таким образом, увеличивает силу магнитных моментов, что предотвращает тепловой беспорядок при более низких температурах.

Температура Кюри в сегнетоэлектрических материалах

По аналогии с ферромагнитными и парамагнитными материалами, термин температура Кюри ( T C ) также применяется к температуре, при которой сегнетоэлектрический материал становится параэлектрическим . Следовательно, T C - это температура, при которой сегнетоэлектрические материалы теряют свою спонтанную поляризацию, когда происходит фазовое изменение первого или второго порядка. В случае перехода второго рода температура Кюри-Вейсса T 0, определяющая максимум диэлектрической проницаемости, равна температуре Кюри. Однако температура Кюри может быть на 10 К выше, чем Т 0 в случае перехода первого рода.

Рисунок 4. (Ниже T 0 ) Сегнетоэлектрическая поляризация P в приложенном электрическом поле E
Рисунок 5. (Выше T 0 ) Диэлектрическая поляризация P в приложенном электрическом поле E
Ниже T C Выше T C
Сегнетоэлектрик ↔ Диэлектрик (параэлектрик)
Антисегнетоэлектрический ↔ Диэлектрик (параэлектрик)
Ферриэлектрический ↔ Диэлектрик (параэлектрик)
Гелиэлектрический ↔ Диэлектрик (параэлектрик)

Сегнетоэлектрик и диэлектрик

Материалы являются сегнетоэлектрическими только ниже их соответствующей температуры перехода T 0 . Все сегнетоэлектрические материалы являются пироэлектрическими и поэтому имеют спонтанную электрическую поляризацию, поскольку структуры несимметричны.

Поляризация сегнетоэлектрических материалов подвержена гистерезису (рисунок 4); то есть они зависят как от своего прошлого, так и от текущего состояния. При приложении электрического поля диполи вынуждены выравниваться, и создается поляризация, когда электрическое поле удаляется, поляризация остается. Петля гистерезиса зависит от температуры, и в результате, когда температура увеличивается и достигает T 0, две кривые становятся одной кривой, как показано на диэлектрической поляризации (Рисунок 5).

Относительная диэлектрическая проницаемость

Модифицированная версия закона Кюри – Вейсса применяется к диэлектрической проницаемости, также известной как относительная диэлектрическая проницаемость :

Приложения

Ферромагнитно-парамагнитный переход, индуцированный нагреванием, используется в магнитооптических носителях для стирания и записи новых данных. Известные примеры включают формат Sony Minidisc , а также уже устаревший формат CD-MO . Электромагниты с точкой Кюри были предложены и испытаны для исполнительных механизмов в пассивных системах безопасности реакторов-размножителей на быстрых нейтронах , где управляющие стержни опускаются в активную зону реактора, если исполнительный механизм нагревается до температуры, превышающей точку Кюри материала. Другие применения включают контроль температуры в паяльниках и стабилизацию магнитного поля генераторов тахометров от колебаний температуры.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки