Войти
Рисунок 1. Ниже температуры Кюри соседние магнитные спины выстраиваются параллельно каждому другое в ферромагнетике в отсутствие приложенного магнитного поля 
Рис. 2. Выше температуры Кюри магнитные спины в парамагнетике выстраиваются случайным образом, если не применяется магнитное поле In физика и материаловедение, температура Кюри (TC) или точка Кюри - это температура, выше которой определенные материалы теряют свои постоянные магниты, которые можно (в большинстве случаев) заменить на наведенный магнетизм. Температура Кюри названа в честь Пьера Кюри, который показал, что магнетизм теряется при критической температуре.
Сила магнетизма определяется магнитным моментом, a дипольный момент в атоме, 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, так как спонтанный магнетизм возникает только ниже температуры Кюри. Магнитная восприимчивость выше температуры Кюри может быть рассчитана по закону Кюри – Вейсса, который выводится из закона Кюри.
. По аналогии с ферромагнитными и парамагнитными материалами, коэффициент Кюри Температура также может использоваться для описания фазового перехода между сегнетоэлектричеством и параэлектричеством. В этом контексте параметр порядка представляет собой электрическую поляризацию, которая изменяется от конечного значения до нуля, когда температура повышается выше температуры Кюри.
| Материал | Температура Кюри. (K) |
|---|---|
| Железо (Fe) | 1043 |
| Кобальт ( Co) | 1400 |
| Никель (Ni) | 627 |
| Гадолиний (Gd) | 292 |
| Диспрозий (Dy) | 88 |
| висмутид марганца (MnBi) | 630 |
| антимонид марганца (Mn Sb ) | 587 |
| оксид хрома (IV) (CrO 2) | 386 |
| арсенид марганца (Mn As ) | 318 |
| оксид европия (Eu O) | 69 |
| оксид железа (III) (Fe 2O3) | 948 |
| Оксид железа (II, III) (FeOFe 2O3) | 858 |
| NiO – Fe 2O3 | 858 |
| Cu O – Fe 2O3 | 728 |
| MgO – Fe 2O3 | 713 |
| MnO – Fe 2O3 | 573 |
| Железо-иттриевый гранат (Y3Fe5O12) | 560 |
| Неодимовые магниты | 583–673 |
| Алнико | 973–1133 |
| Самариево-кобальтовые магниты | 993–1073 |
| Феррит стронция | 723 |
Магнитные моменты - это постоянные дипольные моменты внутри атома, 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 собственного 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 собственного магнитного момента. При определенной температуре Кюри материала (T C) эти свойства изменяются. Переход от антиферромагнетика к парамагнетику (или наоборот) происходит при температуре Нееля (TN), что аналогично температуре Кюри.
| Ниже T C | Выше T C |
|---|---|
| Ферромагнетик | ↔ Парамагнитный |
| Ферримагнитный | ↔ Парамагнитный |
| Ниже T N | Выше T N |
| Антиферромагнитный | ↔ Парамагнетик |
Ферромагнетизм : Магнитные моменты в ферромагнитном материале. Моменты упорядочены и имеют одинаковую величину в отсутствие приложенного магнитного поля.
Парамагнетизм : Магнитные моменты в парамагнитном материале. Моменты разупорядочены в отсутствие приложенного магнитного поля и упорядочены в присутствии приложенного магнитного поля.
Ферримагнетизм : Магнитные моменты в ферримагнетике. Моменты выровнены противоположно и имеют разные величины из-за того, что они состоят из двух разных ионов. Это в отсутствие приложенного магнитного поля.
Антиферромагнетизм : Магнитные моменты в антиферромагнетике. Моменты расположены противоположно и имеют одинаковые величины. Это в отсутствие приложенного магнитного поля.
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 обладают разными свойствами и не имеют температуры Кюри.
Материал является парамагнитным только выше его температуры Кюри. Парамагнитные материалы являются немагнитными, когда магнитное поле отсутствует, и магнитными при приложении магнитного поля. 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, и вызывают индуцированное магнитное поле.
Для парамагнетизма этот отклик на приложенное магнитное поле является положительным и известен как магнитная восприимчивость. Магнитная восприимчивость применяется только выше температуры Кюри для неупорядоченных состояний.
Источники парамагнетизма (материалы с температурой Кюри) включают:
Выше температуры Кюри атомы возбуждаются, и ориентация спинов становится случайной, но может быть перестроена с помощью приложенного поля, т. е. материала 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.
Материалы являются ферромагнитными только ниже их соответствующих температур Кюри. Ферромагнитные материалы 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 ориентированы 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 ориентированы в одном направлении. Это приводит к тому, что ферромагнетики имеют 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.
Материалы являются ферримагнитными только при температуре ниже соответствующей им температуры Кюри. Ферримагнитные материалы являются магнитными в отсутствие приложенного магнитного поля и состоят из двух разных ионов.
. Когда магнитное поле отсутствует, материал имеет спонтанный магнетизм, который является результатом упорядоченных магнитных моментов; то есть для ферримагнетизма магнитные моменты одного иона ориентированы в одном направлении с определенной величиной, а магнитные моменты другого иона ориентированы в противоположном направлении с другой величиной. Поскольку магнитные моменты имеют разную величину в противоположных направлениях, все еще существует спонтанный магнетизм и присутствует магнитное поле.
Подобно ферромагнитным материалам, 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.
Материалы обладают антиферромагнетизмом только ниже их соответствующих Температура Нееля. Это похоже на температуру Кюри, поскольку выше температуры Нееля материал претерпевает фазовый переход и становится парамагнитным.
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 ферромагнитным материалам, магнитные взаимодействия удерживаются вместе за счет обменных взаимодействий, не позволяющих тепловому беспорядку преодолевать слабые взаимодействия магнитных моментов. Беспорядок возникает при температуре Нееля.
Закон Кюри – Вейсса является адаптированной версией закона Кюри.
Закон Кюри – Вейсса простая модель, полученная из приближения среднего поля, это означает, что она хорошо работает при температуре материалов T, намного превышающей их соответствующую температуру Кюри, T C, то есть T ≫ T С ; однако не может описать магнитную восприимчивость, χ, в непосредственной близости от точки Кюри из-за локальных флуктуаций между атомами.
Ни закон Кюри, ни закон Кюри – Вейсса не выполняются для T < TC.
Закон Кюри для парамагнитного материала:
| Определение | |
|---|---|
| χ | магнитная восприимчивость; влияние приложенного магнитного поля на материал |
| M | магнитные моменты на единицу объема |
| H | макроскопическое магнитное поле |
| B | магнитное поле |
| C | материал - специфическая константа Кюри |
 | Авогадро число |
| µ0 | проницаемость свободного пространства. Примечание: в единицах CGS принимается равным единице. |
| g | g-фактор Ланде |
| J (J + 1) | собственное значение для собственного состояния J для стационарные состояния в неполных оболочках атомов (неспаренные электроны) |
| µB | Магнетон Бора |
| kB | постоянная Больцмана |
| общий магнетизм | - количество магнитных моментов на единицу объема |
Кюри –Закон Вейсса затем выводится из закона Кюри следующим образом:
где :
λ - постоянная молекулярного поля Вейсса..
Полный вывод см. В закон Кюри – Вейсса.
Поскольку закон Кюри – Вейса является приближением, 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, который является свойством ферромагнитных и ферримагнитных материалов.
Магнетизм зависит от температуры, а спонтанный магнетизм возникает ниже температуры Кюри. Точная модель критического поведения спонтанного магнетизма с критическим показателем β:
Критический показатель различается для разных материалов и для модели среднего поля, принятого как β = 1/2, где T ≪ T C.
Спонтанный магнетизм приближается к нулю, когда температура увеличивается по направлению к температуре Кюри материалов.
Спонтанный магнетизм, возникающий в ферромагнитных, ферримагнитных и антиферромагнитных материалах, приближается к нулю по мере того, как температура увеличивается 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.
Как закон Кюри, так и закон Кюри-Вейсса не работают, когда температура приближается к 0 К. Это потому, что они зависят от магнитной восприимчивости, который применяется только тогда, когда состояние неупорядочено.
продолжает удовлетворять закону Кюри при 1 К. Между 0 и 1 К закон не выполняется, и при температуре Кюри происходит резкое изменение внутренней структуры.
Модель Изинга основана на математике и может анализировать критические точки фазовых переходов в ферромагнитном порядке, обусловленные спинами электронов. с величинами ± 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, решая температуру 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.
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. Следовательно, положение частиц может иметь другую ориентацию вокруг поверхности, чем у основной части (объема) материала. Это свойство напрямую влияет на температуру Кюри, поскольку для материала может быть объемная температура Кюри T B и другая температура Кюри поверхности T S.
Это позволяет температура поверхности Кюри должна быть ферромагнитной выше объемной температуры Кюри, когда основное состояние неупорядочено, т.е. упорядоченное и неупорядоченное 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. Средний общий магнетизм берется из температуры объема и поверхности для расчета температуры Кюри из материала, учитывая, что объем вносит больший вклад.
угловой момент электрона равен либо + ħ / 2 или −ħ / 2 из-за того, что он имеет спин 1/2, который придает электрону определенный размер 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 равен достаточно сильно, чтобы повлиять на порядок выше его объемных температур. Говорят, что он имеет высокую анизотропию на поверхности, то есть он сильно направлен в одной ориентации. 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 при температуре выше его основной температуры Нееля (230 К), прежде чем стать полностью разупорядоченным и парамагнитным с повышением температуры. Анизотропия в объеме отличается от его поверхностной анизотропии непосредственно над этими фазовыми изменениями, поскольку магнитные моменты будут упорядочены по-другому или упорядочены в парамагнитных материалах.
Композиционные материалы, то есть материалы, состоящие из других материалов с другими свойствами, могут изменять температуру Кюри. Например, композит, содержащий серебро, может создавать пространства для молекул кислорода в связи, 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 либо больше, либо меньше тепловой энергии.
Подготовка композитных материалов при различных температурах может привести к получению разных конечных композиций, которые будут иметь разные температуры Кюри. Легирование материала также может повлиять на его температуру Кюри.
Плотность нанокомпозитные материалы изменяют температуру Кюри. Нанокомпозиты представляют собой 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 частиц в кристаллической решетке материала изменяется температура Кюри. Из-за небольшого размера частиц (наночастиц) флуктуации электронных спинов становятся более заметными, это приводит к резкому снижению температуры Кюри, когда размер частиц уменьшается, поскольку флуктуации вызывают беспорядок. Размер частицы также влияет на анизотропию, приводя к тому, что выравнивание становится менее стабильным и, таким образом, приводит к беспорядку в магнитных моментах.
Крайним из этого является суперпарамагнетизм, который только происходит в небольших ферромагнитных частицах, и здесь очень сильны флуктуации, вызывающие случайное изменение направления магнитных моментов и, таким образом, беспорядок.
На температуру Кюри наночастиц также влияет структура кристаллической решетки, объемно-центрированная кубическая (bcc), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная структура (ГПУ) имеют разные температуры Кюри из-за магнитных моментов, реагирующих на их соседние электронные спины. ГЦК и ГПУ имеют более плотную структуру и, как результат, 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 в частицах могут быть незначительными, они сильно зависят от структуры кристаллических решеток, поскольку они реагируют со своими 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 изменяет температуру Кюри материала. Увеличение давления на кристаллическую решетку уменьшает объем системы. Давление напрямую влияет на кинетическую энергию в частицах, поскольку движение увеличивается, вызывая колебания, нарушающие порядок магнитных моментов. Это похоже на температуру, поскольку оно также увеличивает кинетическую энергию частиц и нарушает 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 электронных спинов. Из-за этого следовало ожидать, что температура Кюри будет уменьшаться, но повышаться. 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 складывается 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.
Орбитальное упорядочение изменяет температуру Кюри материала. Орбитальным упорядочением 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 быть перемещены в одну и ту же плоскость за счет приложенных деформаций внутри кристаллической решетки.
Видно, что температура Кюри сильно увеличивается из-за электронов будучи упакованными вместе в одной плоскости, они вынуждены выравниваться из-за обменного взаимодействия и, таким образом, увеличивает силу магнитных моментов, что предотвращает тепловой беспорядок при более низких температурах.
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 T 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 | ↔ Диэлектрический (параэлектрический) |
| Антисегнетоэлектрический | ↔ Диэлектрический (параэлектрический) |
| Ферриэлектрический | ↔ Диэлектрический (параэлектрический) |
| Гелиэлектрик | ↔ Диэлектрик (параэлектрик) |
Материалы являются сегнетоэлектрическими только ниже их соответствующей температуры перехода T 0. Все сегнетоэлектрические материалы являются пироэлектрическими и, следовательно, обладают спонтанной электрической поляризацией, 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 повышается и достигает T 0, две кривые превращаются в одну кривую, как показано на диэлектрической поляризации (рисунок 5).
Модифицированная версия закона Кюри – Вейсса применяется к диэлектрической проницаемости, также известной как относительная диэлектрическая проницаемость :
Теплоиндуцированный ферромагнитный парамагнитный переход используется в магнитооптических носителях данных для стирания и записи новых данных. Известные примеры включают формат Sony Minidisc, а также 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 падают в активную зону реактора, если исполнительный механизм нагревается сверх точка Кюри материала. Другие применения включают контроль температуры в паяльниках и стабилизацию магнитного поля тахометров генераторов от колебаний температуры.
