Кіріспе
Физика және материалдар ғылымында Кюри температурасы (T<sub>C</sub>) немесе Кюри нүктесі – белгілі бір материалдардың тұрақты магниттік қасиеттерін жоғалтатын температура, олар (көбінесе) индукцияланған магнетизммен алмастырылуы мүмкін. Кюри температурасы Пьер Кюри есімімен аталады, ол магнетизмнің белгілі бір температурада жоғалатынын көрсеткен. Магнетизм күші магниттік моментпен анықталады, ол атом ішіндегі дипольдық момент, ол электронның бұрыштық импульсі мен спинінен туындайды. Материалдарда температураға байланысты магниттік моменттердің әртүрлі құрылымдары болады; Кюри температурасы – материалдың ішкі магниттік моменттері бағытын өзгертетін шекті нүкте. Тұрақты магнетизм магниттік моменттердің реттелгенінен туындайды, ал индукцияланған магнетизм – ретсіз магниттік моменттер қолданылған магнит өрісінде реттелуге мәжбүр болғанда пайда болады. Мысалы, реттелген магниттік моменттер (ферромагниттік, 1-сурет) Кюри температурасында өзгеріп, ретсіз (парамагниттік, 2-сурет) болады. Жоғары температуралар магниттерді әлсіретеді, себебі спонтанды магнетизм тек Кюри температурасынан төменде ғана пайда болады. Кюри температурасынан жоғары магниттік сезімталдықты Кюри-Вайсс заңы арқылы есептеуге болады, ол Кюри заңынан туындаған. Ферромагниттік және парамагниттік материалдарға ұқсас, Кюри температурасы ферроэлектрлік және параэлектрлік арасындағы фазалық өтуді сипаттау үшін де қолданылуы мүмкін. Бұл жағдайда реттік параметр – электрлік поляризация, ол температура Кюри температурасынан жоғары болғанда шекті мәннен нөлге дейін төмендейді. Материалдардың Кюри температурасы Материал Кюри температурасы (K) °C °F Темір (Fe) 1043 1664 Кобальт (Co) 1400 Никель (Ni) 627 Гадолиний (Gd) 292 Диспрозий (Dy) 88 Марганец бисмутиді (MnBi) 630 Марганец антимониді (MnSb) 587 Хром(IV) оксиді (CrO<sub>2</sub>) 386 Марганец арсениді (MnAs) 318 Еуропий оксиді (EuO) 69 Темір(III) оксиді (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) 948 Темір(II,III) оксиді (FeOFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) 858 NiO–Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 858 CuO–Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 728 MgO–Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 713 MnO–Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 573 Иттрий темір гранаты (Y<sub>3</sub>Fe<sub>5</sub>O<sub>12</sub>) 560 Неодимдік магниттер Альнико Самарий-кобальт магниттері Стронций ферриті 450 °C (842 °F)
In physics and materials science, the Curie temperature (TC), or Curie point, is the temperature above which certain materials lose their permanent magnetic properties, which can (in most cases) be replaced by induced magnetism. The Curie temperature is named after Pierre Curie, who showed that magnetism was lost at a critical temperature. The force of magnetism is determined by the magnetic moment, a dipole moment within an atom that originates from the angular momentum and spin of electrons. Materials have different structures of intrinsic magnetic moments that depend on temperature; the Curie temperature is the critical point at which a material's intrinsic magnetic moments change direction. Permanent magnetism is caused by the alignment of magnetic moments, and induced magnetism is created when disordered magnetic moments are forced to align in an applied magnetic field. For example, the ordered magnetic moments (ferromagnetic, Figure 1) change and become disordered (paramagnetic, Figure 2) at the Curie temperature. Higher temperatures make magnets weaker, as spontaneous magnetism only occurs below the Curie temperature. Magnetic susceptibility above the Curie temperature can be calculated from the Curie–Weiss law, which is derived from Curie's law. In analogy to ferromagnetic and paramagnetic materials, the Curie temperature can also be used to describe the phase transition between ferroelectricity and paraelectricity. In this context, the order parameter is the electric polarization that goes from a finite value to zero when the temperature is increased above the Curie temperature. Curie temperatures of materials Material Curie temperature (K) °C °F Iron (Fe) 1043 1,664 Cobalt (Co) 1400 Nickel (Ni) 627 Gadolinium (Gd) 292 Dysprosium (Dy) 88 Manganese bismuthide (MnBi) 630 Manganese antimonide (MnSb) 587 Chromium(IV) oxide (CrO2) 386 Manganese arsenide (MnAs) 318 Europium oxide (EuO) 69 Iron(III) oxide (Fe2O3) 948 Iron(II,III) oxide (FeOFe2O3) 858 NiO–Fe2O3 858 CuO–Fe2O3 728 MgO–Fe2O3 713 MnO–Fe2O3 573 Yttrium iron garnet (Y3Fe5O12) 560 Neodymium magnets Alnico Samarium–cobalt magnets Strontium ferrite 450 °C (842 °F)
Тарих
Жылыту магниттілікті жоятыны «De Magnete» (1600) еңбегінде сипатталған: Темір ұнтағы ұзақ уақыт қыздырылғаннан кейін жүк тасқа тартылады, бірақ қыздырылмаған кездегіден гөрі әлсіз және жақын арадан. Жүк тас тым қатты қыздырылса, қасиеттерінің бір бөлігін жоғалтады, себебі оның ішкі күші босатылады, осыдан оның ерекше табиғаты бұзылады. (2-кітап, 23-тарау).
Кюри температурасында қасиеттерін өзгертетін магниттік моменттері бар материалдар
Ферромагниттік, парамагниттік, ферримагниттік және антиферромагниттік құрылымдар ішкі магниттік моменттерден тұрады. Егер құрылымдағы барлық электрон жұпталған болса, олардың қарама-қарсы спиндері мен бұрыштық импульстарының нәтижесінде бұл моменттер өшіріледі. Сондықтан, тіпті магниттік өріс қолданылған жағдайда да, бұл материалдардың қасиеттері әртүрлі болады және олардың Кюри температурасы жоқ.
Кюри температурасына төменнен жақындау
Магнетизм температураға тәуелді, ал спонтанды магнетизм Кюри температурасынан төмен пайда болады. Спонтанды магнетизмнің критикалық мінез-құлқының критикалық көрсеткіші β болатын дәл моделі:
Критикалық көрсеткіш материалдар арасында өзгеше болады, ал орташа өріс моделі үшін β = T ≪ TC ретінде қабылданады. Яғни, магниттік моменттер толығымен бағытталған және жылулық бұзылыстардың болмауына байланысты магниттің ең жоғары күшіне ие. Парамагниттік материалдарда жылу энергиясы реттелген бағыттарды жеңуге жеткілікті. Температура 0 К-қа жақындағанда энтропия нөлге төмендейді, яғни тәртіпсіздік азаяды және материал реттелген күйге енеді. Бұл сыртқы магнит өрісі қолданбастан, термодинамиканың үшінші заңына сәйкес жүзеге асады. Гадолиний сульфаты 1 К-де Кюри заңына сай келе береді. 0 және 1 К аралығында заң күшін жояды және Кюри температурасында ішкі құрылымда күрт өзгеріс болады.
Фазалық ауысулардың Исинг моделі
Исинг моделі математикалық негіздемеге ие және электрон спиндерінің ± шамасына байланысты ферромагниттік реттің фазалық өтулердің сындық нүктелерін талдауға мүмкіндік береді. Спиндер құрылымдағы көрші дипольді электрондармен өзара әрекеттеседі, ал Исинг моделі олардың бір-бірімен қарым-қатынасын болжауға болады. Бұл модель фазалық өтулер ұғымдарын шешу және түсіну үшін маңызды, демек Кюри температурасын анықтауға көмектеседі. Соның салдарынан, Кюри температурасына әсер ететін көптеген түрлі тәуелділіктерді талдауға болады. Мысалы, беттік және көлемдік қасиеттер спиндердің бағыты мен шамасына байланысты, ал Исинг моделі осы жүйедегі магнетизмнің әсерін анықтай алады. Назарда ұстаған жөн, 1D-де магниттік реттік фазалық өту үшін Кюри (критикалық) температурасы нөлдік температурада болады, яғни магниттік реттік тек T = 0-де пайда болады. 2D-де, мысалы, белгілі бір магниттеу сияқты, критикалық температура теңсіздікті шешу арқылы есептелуі мүмкін:
Вейс домендері және беткі және жалпы Кюри температурасы
Материалдардың құрылымы Вейс домендері деп аталатын домендерге бөлінген ішкі магниттік моменттерден тұрады. Бұл ферромагниттік материалдардың спонтанды магниттелуге ие болмауына әкелуі мүмкін, себебі домендер бір-бірін теңестіре алады. Бұл, негізгі күйдің ретсіздігі кезінде, беткі Кюри температурасының көлемдік Кюри температурасынан жоғары ферромагниттік болуына мүмкіндік береді, яғни реттелген және ретсіз күйлер бір уақытта кездеседі. Электронның бұрыштық импульсі + немесе - болады, себебі оның спині бар, бұл электронға магниттік моменттің нақты шамасын береді; Бор магнитоны. Ядроның айналысындағы ток шеңберімен айналатын электрондар Бор магнитоны мен магниттік квант санына байланысты магниттік өріс тудырады. Тербий, сирек кездесетін металл және жоғары орбиталық бұрыштық импульсқа ие, оның магниттік моменті көлемдік температурадан жоғары тәртіптің күйін өзгертуге жеткілікті. Оның бетінде жоғары анизотропия бар, яғни ол бір бағытта күшті бағытталған. Ол өзінің Кюри температурасынан (219К) жоғары бетінде ферромагниттік күйін сақтайды, ал көлемдік бөлігі антиферромагниттік болады, содан кейін жоғары температурада оның беткі бөлігі Néel температурасынан (230К) жоғары антиферромагниттік болып қалады, ал температураның артуымен толық ретсіздікке ұшырап, парамагниттік күйге өтеді. Анизотропиясы осы фазалық өзгерістерден кейін көлемдік анизотропиясынан өзгеше, себебі магниттік моменттер әртүрлі реттеледі немесе парамагниттік материалдарда ретсіз болады.
Темір электрлік және диэлектрлік
Материалдар тек олардың сәйкес өту температурасы T0-дан төмен ғана ферроэлектрлік қасиет көрсетеді. Ферроэлектрлік материалдардың бәрі пироэлектрлік болып табылады, сондықтан олардың құрылымы симметриялы емес болғандықтан, спонтанды электрлік поляризацияға ие. Ферроэлектрлік материалдардың поляризациясы гистерезиске (4-сурет) тәуелді, яғни олардың поляризациясы қазіргі күйімен қатар бұрынғы күйіне де байланысты. Электр өрісі қолданғанда дипольдер туралануға мәжбүрленеді және поляризация пайда болады, ал электр өрісі алынғанда поляризация сақталады. Гистерезис цикл температураға байланысты, сондықтан температураның жоғарылауы және T0-ға жетуі диэлектрлік поляризацияда көрсетілгендей екі қисықтың бірігуіне әкеледі (5-сурет).
Қолданбалар
Магниттік-оптикалық жад құралдарында жаңа деректерді өшіру және жазу үшін жылумен шақырылған ферромагниттік-парамагниттік өту қолданылады. Көрінетін мысалдарға Sony Minidisc форматы, сондай-ақ қазір қолданыстан шыққан CD-MO форматы жатады. Кюри нүктесіндегі электромагниттер жылдам өсіретін реакторлардың пассивті қауіпсіздік жүйелеріндегі орындау механизмдері үшін ұсынылып, сынақтан өткен, онда орындау механизмі материалдың Кюри нүктесінен артық қызғанда басқару таяқшалары реактор ядросына түсіріледі. Басқа қолданыстар: төлеу темірлерінде температураны реттеу және тахометр генераторларының магниттік өрісін температура өзгерісінен қорғау.