Введение

Температура, выше которой изменяются магнитные свойства

В физике и материаловедении температура Кюри (T<sub>C</sub>) или точка Кюри — это температура, выше которой определенные материалы теряют свои постоянные магнитные свойства, которые могут (в большинстве случаев) быть заменены индуцированным магнетизмом. Температура Кюри названа в честь Пьера Кюри, который показал, что магнетизм теряется при критической температуре. Сила магнетизма определяется магнитным моментом, дипольным моментом внутри атома, возникающим из углового момента и спина электронов. Материалы имеют различные структуры внутренних магнитных моментов, зависящие от температуры; температура Кюри — это критическая точка, при которой внутренние магнитные моменты материала меняют направление. Постоянный магнетизм обусловлен выравниванием магнитных моментов, а индуцированный магнетизм создается, когда неупорядоченные магнитные моменты вынуждены выстраиваться в приложенном магнитном поле. Например, упорядоченные магнитные моменты (ферромагнитные, рисунок 1) изменяются и становятся неупорядоченными (парамагнитными, рисунок 2) при температуре Кюри. Высокие температуры ослабляют магниты, поскольку спонтанный магнетизм возникает только ниже температуры Кюри. Магнитная восприимчивость выше температуры Кюри может быть рассчитана по закону Кюри — Вейса, который выводится из закона Кюри. По аналогии с ферромагнитными и парамагнитными материалами, температура Кюри также может использоваться для описания фазового перехода между ферроэлектричеством и параэлектричеством. В этом контексте параметром порядка является электрическая поляризация, которая переходит от конечного значения к нулю при повышении температуры выше температуры Кюри. Температуры Кюри материалов

| Материал | Температура Кюри (K) | °C | °F |
|--------------------------|-----------------------|------|------|
| Железо (Fe) | 1043 | 1664 | |
| Кобальт (Co) | 1400 | | |
| Никель (Ni) | 627 | | |
| Гадолиний (Gd) | 292 | | |
| Диспрозий (Dy) | 88 | | |
| Бисмутид марганца (MnBi) | 630 | | |
| Антимонид марганца (MnSb)| 587 | | |
| Оксид хрома (CrO<sub>2</sub>) | 386 | | |
| Арсенид марганца (MnAs) | 318 | | |
| Оксид европия (EuO) | 69 | | |
| Оксид железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) | 948 | | |
| Оксид железа (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-железо-гранат (Y<sub>3</sub>Fe<sub>5</sub>O<sub>12</sub>) | 560 | | |
| Неодимовые магниты | | | |
| Альнико | | | |
| Магниты самарий-кобальтовые| | | |
| Стронциевый феррит | 450 °C (842 °F) | | |

История

То, что нагрев разрушает магнетизм, уже было описано в «De Magnete» (1600): Железные опилки, после длительного нагревания, притягиваются намагниченным камнем, но не так сильно и не с такого большого расстояния, как когда они не нагреты. Намагниченный камень теряет часть своей силы от чрезмерного нагрева, так как его «влага» высвобождается, что искажает его особые свойства. (Книга 2, Глава 23).

Материалы с магнитными моментами, которые изменяют 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 противоположных направлений их спинов и угловых моментов. Следовательно, даже при воздействии магнитного поля, эти материалы обладают различными свойствами и не имеют температуры Кюри.

Приближение к температуре Кюри снизу

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

Критический показатель отличается в зависимости от материала, а для модели среднего поля принимается значение β = , где T ≪ TC. Это означает, что магнитные моменты полностью выровнены и достигают максимальной величины намагниченности из-за отсутствия тепловых возмущений. В парамагнитных материалах тепловой энергии достаточно для преодоления упорядоченного выравнивания. При приближении температуры к 0 К энтропия стремится к нулю, то есть беспорядок уменьшается и материал становится упорядоченным. Это происходит без приложения внешнего магнитного поля и соответствует третьему закону термодинамики. Гадолиниевый сульфат продолжает удовлетворять закону Кюри при 1 К. В диапазоне температур от 0 до 1 К этот закон перестает выполняться, и при температуре Кюри происходит резкое изменение внутренней структуры.

Модель Исинга фазовых переходов

Модель Изинга имеет математическую основу и позволяет анализировать критические точки фазовых переходов в ферромагнитном упорядочении, обусловленные спинами электронов, принимающими значения ±1. Спины взаимодействуют со своими соседними электронами в структуре, и модель Изинга способна предсказывать их взаимное поведение. Эта модель важна для решения и понимания концепций фазовых переходов и, следовательно, для определения температуры Кюри. В результате можно анализировать множество различных зависимостей, влияющих на температуру Кюри. Например, поверхностные и объемные свойства зависят от выравнивания и величины спинов, и модель Изинга может определить влияние магнетизма в этой системе. Важно отметить, что в одномерном случае критическая (температура Кюри) температура фазового перехода магнитного упорядочения равна нулю, то есть магнитное упорядочение проявляется только при T = 0. В двумерном случае критическую температуру, например, конечную намагниченность, можно вычислить, решив неравенство:

Домены Вайсса и температуры Кюри поверхности и массы

Структуры материалов состоят из внутренних магнитных моментов, разделенных на области, называемые доменами Вайсса. Это может привести к тому, что ферромагнитные материалы не проявляют спонтанный магнетизм, поскольку домены могут взаимно компенсировать друг друга. Это позволяет поверхностной температуре Кюри быть ферромагнитной при температурах выше объемной температуры Кюри, когда основное состояние является неупорядоченным, то есть упорядоченные и неупорядоченные состояния сосуществуют. Угловой момент электрона может быть равен + или −, что обусловлено его спином, который определяет величину магнитного момента электрона – магнетон Бора. Электроны, вращающиеся вокруг ядра по замкнутой траектории, создают магнитное поле, зависящее от магнетона Бора и магнитного квантового числа. Для тербия, редкоземельного металла с высоким орбитальным угловым моментом, магнитный момент достаточно силен, чтобы влиять на упорядочение при температурах выше его объемной температуры. Считается, что он обладает высокой анизотропией на поверхности, то есть сильно ориентирован в одном направлении. Он сохраняет ферромагнитные свойства на поверхности при температурах выше температуры Кюри (219 К), в то время как в объеме становится антиферромагнитным, а затем, при более высоких температурах, его поверхность остается антиферромагнитной при температурах выше объемной температуры Неля (230 К), прежде чем стать полностью неупорядоченной и парамагнитной с дальнейшим повышением температуры. Анизотропия в объеме отличается от поверхностной анизотропии непосредственно при этих фазовых переходах, поскольку магнитные моменты будут упорядочены по-разному или упорядочены в парамагнитных материалах.

Железоэлектрические и диэлектрические

Материалы проявляют ферроэлектрические свойства только ниже соответствующей температуры перехода T0. Все ферроэлектрические материалы являются пироэлектрическими и, следовательно, обладают спонтанной электрической поляризацией из-за несимметричности их структуры. Поляризация ферроэлектрических материалов подвержена гистерезису (рис. 4), то есть зависит как от их предыдущего состояния, так и от текущего. При приложении электрического поля диполи ориентируются, создавая поляризацию, и эта поляризация сохраняется после снятия электрического поля. Петля гистерезиса зависит от температуры, и по мере увеличения температуры и достижения T0 две кривые сливаются в одну, как показано на графике диэлектрической поляризации (рис. 5).

Приложения

В магнитооптических носителях информации используется тепловой ферромагнитный – парамагнитный переход для стирания и записи новых данных. Яркими примерами служат формат Sony Minidisc, а также устаревший формат CD-MO. Электромагниты, работающие в точке Кюри, были предложены и испытаны в качестве приводов в системах пассивной безопасности реакторов на быстрых нейтронах, где управляющие стержни опускаются в активную зону реактора при нагреве привода выше точки Кюри материала. Другие области применения включают регулирование температуры в паяльниках и стабилизацию магнитного поля тахогенераторов при изменении температуры.