居里点

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居里点(Curie point)又作居里温度(Curie temperature,Tc)或磁性转变点。是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度,是铁磁性亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。低于居里点温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10-6。居里点由物质的化学成分和晶体结构决定。居里温度是以皮埃尔·居里命名的,他表明在临界温度下磁性材料会失去磁性。

居里點的溫度可以用平均場理論估計。

材料的居里温度[1][2][3]
材料 居里
温度 (K)
(Fe) 1043
(Co) 1400
(Ni) 627
(Gd) 292
(Dy) 88
铋化锰 (MnBi) 630
锑化锰(MnSb) 587
二氧化铬 (CrO2) 386
化锰 318
氧化铕 69
氧化铁 (Fe2O3) 948
四氧化三铁 (FeOFe2O3) 858
氧化镍-氧化铁NiO–Fe2O3 858
氧化铜-氧化铁CuO–Fe2O3 728
氧化镁-氧化铁MgO–Fe2O3 713
氧化锰-氧化铁MnO–Fe2O3 573
钇铁石榴石 (Y3Fe5O12) 560
钕磁铁 583-673
铝镍钴合金 973-1133
钐钴磁铁 993-1073
锶铁氧体 723

磁矩编辑

磁矩是原子内的永久偶极矩,包含电子的角动量和自旋[4],他们之间的关系是 μl = el/2me, me 是电子质量, μl 是磁矩, l是角动量; 这个比例被称作 gyromagnetic ratio旋磁比).

原子中的电子从它们自己的角动量和它们围绕原子核的轨道动量贡献磁矩。与来自电子的磁矩相比,来自原子核的磁矩是微不足道的。[5] 热作用在更高能量的电子上结果就是扰乱了秩序,并破坏了偶极子之间的对齐。

铁磁性, 顺磁性, 亚铁磁性反铁磁性材料有不同的固有磁矩结构。在材料特定的居里温度下,这些属性会发生变化。从反铁磁性到顺磁性(或反之亦然)的过渡发生在奈尔温度, 这与居里温度类似。

低于TC 高于TC
铁磁性 顺磁性
亚铁磁性 顺磁性
反铁磁性 顺磁性

在居里温度下改变特性的具有磁矩的材料编辑

铁磁性,顺磁性,亚铁磁性和反铁磁性结构由固有磁矩组成。 如果结构中的所有电子都配对,则由于它们的相反自旋和角动量,这些力矩会抵消。 因此,即使施加磁场,这些材料也具有不同的性质,并且没有居里温度。[6][7]

顺磁性编辑

当一些材料的温度高于居里点时,材料会表现出顺磁性,这样的材料叫顺磁性材料。当没有受到外部磁场的影响时,顺磁性材料不会表现磁性;反之则会表现磁性。没有受到外部磁场影响时,材料内部的磁矩是无序排列的。也就是说,材料内部的粒子不整齐且没有顺磁力线方向排列。当受到磁场影响时,这些磁矩会顺磁场线整齐排列[8][9][10],并且产生感应磁场[10][11]。 对于顺磁性,这种对外加磁场的响应是正的,称为磁化率[6] 磁化率仅适用于居里温度以上的无序状态。[12]

顺磁性的来源(具有居里温度的材料)包括:[13]

  • 全部含有未配对电子的原子;
  • 内电子层未被完全填充的原子;
  • 自由基
  • 金属。

超過居禮溫度後,原子被激發, 旋轉的方向變成隨機的[7] 不過可以被作用場重新調整, 即材料变为顺磁性。在居里温度以下,材料的固有结构经历了一次相变相变[14] 原子变为有序,材料具有铁磁性。[10] 与铁磁性材料的磁场相比,顺磁性材料的感应磁场非常弱。[14]

铁磁性编辑

材料仅在其相应的居里温度以下具有铁磁性。在没有外加磁场的情况下,铁磁材料具有磁性。

当没有外加磁场时,材料具有自发磁化英语Spontaneous magnetization,这是有序磁矩的结果;也就是说,对于铁磁性材料,原子具有某种对称性并且在同一方向上排列,从而产生永久磁场。

磁性相互作用通过交换相互作用结合在一起;否则,热无序将克服磁矩的弱相互作用。交换相互作用的平行电子占据同一时间点的可能性为零,这意味着材料中会有一个倾向的平行排列。[15] 在这个过程中,玻尔兹曼因子贡献很大,因为它倾向于使相互作用的粒子在同一方向上排列。[16] 这会导致铁磁体具有较强的磁场和较高的居里温度,约 1000K(730℃)[17]

在居里温度以下,原子有序排列,从而导致自发磁性,材料具有铁磁性。在居里温度以上,该材料是顺磁性的,因为当该材料经历相变时,原子会失去其有序的磁矩。[14]

亚铁磁性编辑

材料仅在其相应的居里温度以下具有亚铁磁性。在没有外加磁场的情况下,亚铁磁材料具有磁性,并由两种不同离子组成。[18]

当没有外加磁场时,材料具有自发磁化,这是有序磁矩的结果;也就是说,对于亚铁磁性材料,一种离子的磁矩对准一个方向,有一个大小,另一种离子的磁矩对准相反方向,有一个不同的大小。因为磁矩在相反的方向有着不同的大小,所以仍然有自发磁化,存在磁场。[18]

和铁磁性材料相似,磁性相互作用通过交换相互作用结合在一起。但是,磁矩的方向是反平行的,导致净势是一个减另一个。[18]

低于居里点时,每个离子的原子都反平行对齐,有着不同的磁矩,造成自发磁化;材料具有亚铁磁性。高于居里点时,该材料是顺磁性的,因为当该材料经历相变时,原子会失去其有序的磁矩。[18]

反铁磁性与奈尔温度编辑

材料仅在其相应的奈尔温度以下具有反铁磁性。这与居里温度相似,高于奈尔温度时,该材料经历相变,变成顺磁性。也就是说,热能变得足够大,足以破坏材料内的微观磁有序性。 [19]它以路易·奈尔(Louis Néel,1904-2000 年)的名字命名,他因在该领域的工作而获得了 1970 年的诺贝尔物理学奖

材料有方向相反的相等磁矩,导致在奈尔温度以下磁矩为零和净磁性为零。反铁磁性材料在有或没有外加磁场的情况下有很弱的磁性。

与铁磁性材料相似,磁性相互作用通过交换相互作用结合在一起;否则,热无序将克服磁矩的弱相互作用。[15][20]奈尔温度时无序出现。[20]

下面列表中有几种物质的奈尔温度:[21]

Substance Néel temperature (K)
MnO 116
MnS 160
MnTe 307
MnF2 67
FeF2 79
FeCl2 24
FeI2 9
FeO 198
FeOCl英语Iron oxychloride 80
CrCl2 25
CrI2 12
CoO 291
NiCl2 50
NiI2 75
NiO 525
KFeO2 983[22]
Cr 308
Cr2O3 307
Nd5Ge3 50

参见编辑

参考文献编辑

  1. ^ Buschow 2001,p5021, table 1
  2. ^ Jullien & Guinier 1989,第155頁
  3. ^ Kittel 1986
  4. ^ Hall & Hook 1994,第200頁
  5. ^ Jullien & Guinier 1989,第136–38頁
  6. ^ 6.0 6.1 Ibach & Lüth 2009
  7. ^ 7.0 7.1 Levy 1968,第236–39頁
  8. ^ Dekker 1958,第217–20頁
  9. ^ Levy 1968
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  11. ^ Dekker 1958,第454–55頁
  12. ^ Mendelssohn 1977,第162頁
  13. ^ Levy 1968,第198–202頁
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  16. ^ Palmer 2007
  17. ^ Hall & Hook 1994,第220頁
  18. ^ 18.0 18.1 18.2 18.3 Jullien & Guinier 1989,第158–59頁
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  52. ^ TMT-9000S
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注释编辑