Что называют температурой кюри
Температура Кюри
Резюме
Фазовые переходы
Благодаря своим собственным орбитальным и спиновым магнитным моментам электроны, как и ядра атома, вносят вклад в общий магнитный момент атома. Однако магнитный момент ядра μ n пренебрежимо мал по сравнению с электронным вкладом, так как μ n −27 А · м 2, а μ r имеет тот же порядок величины, что и магнетон Бора, т.е.
Список различных возможных фазовых переходов:
Ферромагнетизм : магнитные моменты в ферромагнитном материале упорядочены и имеют один и тот же порядок величины в отсутствие внешнего магнитного поля.
Парамагнетизм : магнитные моменты в парамагнитном материале неупорядочены в отсутствие внешнего магнитного поля и упорядочены в присутствии внешнего магнитного поля.
Ферримагнетизм : магнитные моменты в ферримагнетике выровнены противоположным образом с разными порядками величины из-за их структуры в отсутствие внешнего магнитного поля.
Антиферромагнетизм : в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты в антиферромагнитном материале выровнены и противостоят одним и тем же стандартам.
Таким образом, точка Кюри характеризует фазовый переход между двумя магнитными состояниями:
Изменение температуры Кюри
Композитные материалы
Композиционный материал состоит из нескольких материалов с различными свойствами, которые могут изменить температуру Кюри. Выравнивание магнитных моментов в композитном материале влияет на температуру Кюри. Если эти моменты параллельны друг другу, температура Кюри увеличивается. Напротив, если они перпендикулярны друг другу, она уменьшается, потому что для разрушения совмещения потребуется больше или меньше тепловой энергии. Изготовление композитного материала при различных температурах может привести к получению разных композиций с разными температурами Кюри. Допинг тоже может это изменить.
Размер частицы
Температура Кюри изменяется в зависимости от размера частиц материала. Действительно, малый размер наночастиц делает флуктуацию электронных спинов более важной. Поэтому температура Кюри внезапно падает, когда размер частиц уменьшается, потому что флуктуация вызывает беспорядок в структуре материала. Размер частиц также влияет на анизотропию материала, которая влияет на выравнивание магнитных моментов последнего.
Давление
Интересно также, что концентрация частиц также влияет на температуру Кюри при приложении давления к материалу. Это может привести к падению температуры Кюри, когда концентрация выше определенного процента.
Атомные орбитали
Затем мы замечаем, что температура Кюри значительно увеличивается, электроны уплотняются вместе в одной кристаллической плоскости. Они вынуждены выравниваться из-за обменных взаимодействий, и поэтому сила магнитных моментов будет увеличиваться.
Глубина точки Кюри на Земле
Температура Кюри в сегнетоэлектрических материалах
| 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 |
СОДЕРЖАНИЕ
Магнитные моменты
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.
Ферромагнетизм : магнитные моменты в ферромагнитном материале упорядочены и имеют одинаковую величину в отсутствие приложенного магнитного поля.
Парамагнетизм : магнитные моменты в парамагнитном материале неупорядочиваются в отсутствие приложенного магнитного поля и упорядочиваются в присутствии приложенного магнитного поля.
Ферримагнетизм : магнитные моменты в ферримагнетике имеют разные величины (из-за кристалла, содержащего два разных типа магнитных ионов), которые ориентированы противоположно в отсутствие приложенного магнитного поля.
Антиферромагнетизм : магнитные моменты в антиферромагнитном материале имеют одинаковые величины, но в отсутствие приложенного магнитного поля выровнены противоположным образом.
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.
Источники парамагнетизма (материалы с температурой Кюри) включают:
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
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
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 для парамагнитного материала:
Затем закон Кюри-Вейсс выводится из закона Кюри следующим образом:
Т C знак равно C λ μ 0 <\ displaystyle T _ <\ mathrm 
Физика
Приближение к температуре Кюри сверху
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 :
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.
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
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
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.
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
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.
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.
Концентрация частиц также влияет на температуру Кюри при приложении давления и может привести к снижению температуры Кюри, когда концентрация превышает определенный процент.
Орбитальный заказ
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
Использование и формулы
Вам будет интересно: Политические революции в России
По аналогии с ферромагнитными и парамагнитными материалами температуру Кюри можно также использовать для описания фазового перехода между сегнетоэлектричеством и параэлектричеством. В этом контексте параметр порядка представляет собой электрическую поляризацию, которая переходит от конечного значения к нулю, когда температура повышается выше температуры Кюри.
Вам будет интересно: Федор Михайлович Достоевский: хронологическая таблица, биография и «Пятикнижие»
Электроны в атоме вносят магнитные моменты из собственного углового момента и из их орбитального момента вокруг ядра. Магнитные моменты от ядра незначительны в отличие от магнитных моментов от электронов. Тепловые вклады приводят к появлению более высоких энергий электронов, нарушающих порядок и разрушение выравнивания между диполями.
Особенности
Материал парамагнитен только выше его температуры Кюри. Парамагнитные материалы немагнитны, когда магнитное поле отсутствует и магнитно при приложении магнитного поля. Когда магнитное поле отсутствует, материал имеет неупорядоченные магнитные моменты; то есть атомы асимметричны и не выровнены. Когда присутствует магнитное поле, магнитные моменты временно перестраиваются параллельно приложенному полю, атомы симметричны и выровнены. Магнитные моменты, выровненные в одном направлении, являются причиной индуцированного магнитного поля.
Для парамагнетизма эта реакция на приложенное магнитное поле положительна и известна как магнитная восприимчивость. Магнитная восприимчивость применяется только выше температуры Кюри для неупорядоченных состояний.
За пределами точки Кюри
Материалы только ферромагнитны ниже их соответствующих температур Кюри. Ферромагнитные материалы являются магнитными в отсутствие приложенного магнитного поля.
Когда магнитное поле отсутствует, материал имеет спонтанную намагниченность, являющуюся результатом упорядоченных магнитных моментов. Т. е. для ферромагнетизма атомы симметричны и выровнены в одном направлении, создавая постоянное магнитное поле.
Температура кюри для ферромагнетиков
Магнитные взаимодействия удерживаются вместе обменными взаимодействиями; иначе тепловой беспорядок преодолел бы слабое взаимодействие магнитных моментов. Обменное взаимодействие имеет нулевую вероятность параллельных электронов, занимающих одну и ту же точку во времени, что подразумевает предпочтительное параллельное выравнивание в материале. Фактор Больцмана вносит значительный вклад, поскольку он предпочитает, чтобы взаимодействующие частицы были выровнены в одном направлении. Это приводит к тому, что ферромагнетики имеют сильные магнитные поля и высокие определения температуры Кюри около 1000 К.
Ферримагнитные материалы являются магнитными в отсутствие приложенного магнитного поля и состоят из двух разных ионов.
Спонтанный магнетизм
Когда магнитное поле отсутствует, материал имеет спонтанный магнетизм, являющийся результатом упорядоченных магнитных моментов; т.е. для ферримагнетизма магнитные моменты одного и того же ионного момента выровнены в одном направлении с определенной величиной, а магнитные моменты другого иона направлены в противоположном направлении с другой величиной. Поскольку магнитные моменты имеют разные величины в противоположных направлениях, существует спонтанный магнетизм и присутствует магнитное поле.
Что происходит ниже точки Кюри?
Как утверждает современная сегнетоэлектрика, температура Кюри имеет свои ограничения. Подобно ферромагнитным материалам магнитные взаимодействия удерживаются вместе обменными взаимодействиями. Однако ориентации моментов являются антипараллельными, что приводит к чистым импульсом, вычитая их импульс друг от друга.
Ниже температуры Кюри атомы каждого иона выровнены параллельно с разными импульсами, вызывающими спонтанный магнетизм; материал является ферримагнитным. Над температурой Кюри материал парамагнитен, поскольку атомы теряют свои упорядоченные магнитные моменты, когда материал подвергается фазовому переходу.
Температура Нееля и магнетизм
Материал имеет равные магнитные моменты, выровненные в противоположных направлениях, что приводит к нулю магнитного момента и нулевого магнетизма при всех температурах ниже температуры Нееля. Антиферромагнитные материалы слабо намагничены в отсутствие магнитного поля.
Подобно ферромагнитным материалам магнитные взаимодействия удерживаются вместе обменными взаимодействиями, предотвращающими тепловой беспорядок от преодоления слабых взаимодействий магнитных моментов. Когда происходит беспорядок, он находится при температуре Нееля.