居禮點

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居禮點(英語:Curie point),又作居禮溫度(Curie temperature,Tc)或磁性轉變點。是指磁性材料中自發磁化強度降到零時的溫度,是鐵磁性亞鐵磁性物質轉變成順磁性物質的臨界點。低於居禮點溫度時該物質成為鐵磁體,此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高於居禮點時,該物質成為順磁體,磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為10-6。居禮點由物質的化學成分和晶體結構決定。居禮溫度是以皮埃爾·居禮命名的,他表明在臨界溫度下磁性材料會失去磁性。

居禮點的溫度可以用平均場理論估計。

材料的居禮溫度[1][2][3]
材料 居禮
溫度 (K)
(Fe) 1043
(Co) 1400
(Ni) 627
(Gd) 292
(Dy) 88
鉍化錳 (MnBi) 630
銻化錳(MnSb) 587
二氧化鉻 (CrO2) 386
化錳 318
氧化銪 69
氧化鐵 (Fe2O3) 948
四氧化三鐵 (FeOFe2O3) 858
氧化鎳-氧化鐵NiO–Fe2O3 858
氧化銅-氧化鐵CuO–Fe2O3 728
氧化鎂-氧化鐵MgO–Fe2O3 713
氧化錳-氧化鐵MnO–Fe2O3 573
釔鐵石榴石 (Y3Fe5O12) 560
釹磁鐵 583—673
鋁鎳鈷合金 973—1133
釤鈷磁鐵 993—1073
鍶鐵氧體 723

磁矩[編輯]

磁矩是原子內的永久偶極矩,包含電子的角動量和自旋[4],他們之間的關係是 , me 是電子質量, μl 是磁矩, l是角動量; 這個比例被稱作 gyromagnetic ratio旋磁比).

原子中的電子從它們自己的角動量和它們圍繞原子核的軌域動量貢獻磁矩。與來自電子的磁矩相比,來自原子核的磁矩是微不足道的。[5] 熱作用在更高能量的電子上結果就是擾亂了秩序,並破壞了偶極子之間的對齊。

鐵磁性順磁性亞鐵磁性反鐵磁性材料有不同的固有磁矩結構。在材料特定的居禮溫度(TC)下,這些屬性會發生變化。從反鐵磁性到順磁性(或反之亦然)的過渡發生在奈爾溫度(TN), 這與居禮溫度類似。

低於TC 高於TC
鐵磁性 順磁性
亞鐵磁性 順磁性
低於TN 高於TN
反鐵磁性 順磁性

在居禮溫度下改變特性的具有磁矩的材料[編輯]

鐵磁性,順磁性,亞鐵磁性和反鐵磁性結構由固有磁矩組成。 如果結構中的所有電子都配對,則由於它們的相反自旋和角動量,這些力矩會抵消。 因此,即使施加磁場,這些材料也具有不同的性質,並且沒有居禮溫度。[6][7]

順磁性[編輯]

當一些材料的溫度高於居禮點時,材料會表現出順磁性,這樣的材料叫順磁性材料。當沒有受到外部磁場的影響時,順磁性材料不會表現磁性;反之則會表現磁性。沒有受到外部磁場影響時,材料內部的磁矩是無序排列的。也就是說,材料內部的粒子不整齊且沒有順磁力線方向排列。當受到磁場影響時,這些磁矩會順磁場線整齊排列[8][9][10],並且產生感應磁場[10][11]

對於順磁性,這種對外加磁場的響應是正的,稱為磁化率[6] 磁化率僅適用於居禮溫度以上的無序狀態。[12]

順磁性的來源(具有居禮溫度的材料)包括:[13]

  • 所有含未配對電子的原子;
  • 內電子層未被填滿的原子;
  • 自由基
  • 金屬。

超過居禮溫度後,原子被激發, 旋轉的方向變成隨機的[7] ,這種方向可以被作用場重新調整,此時即變為順磁性。在居禮溫度以下,材料的固有結構經歷了一次相變[14] 原子變為有序,材料具有鐵磁性。[10] 與鐵磁性材料的磁場相比,順磁性材料的感應磁場非常弱。[14]


鐵磁性[編輯]

材料僅在其相應的居禮溫度以下具有鐵磁性。在沒有外加磁場的情況下,鐵磁材料具有磁性。

當沒有外加磁場時,材料具有自發磁化英語Spontaneous magnetization,這是有序磁矩的結果;也就是說,對於鐵磁性材料,原子具有某種對稱性並且在同一方向上排列,從而產生永久磁場。

磁性相互作用通過交換相互作用結合在一起;否則,熱無序將克服磁矩的弱相互作用。交換相互作用的平行電子占據同一時間點的可能性為零,這意味著材料中會有一個傾向的平行排列。[15] 在這個過程中,玻爾茲曼因子貢獻很大,因為它傾向於使相互作用的粒子在同一方向上排列。[16] 這會導致鐵磁體具有較強的磁場和較高的居禮溫度,約 1000K(730℃)[17]

在居禮溫度以下,原子有序排列,從而導致自發磁性,材料具有鐵磁性。在居禮溫度以上,該材料是順磁性的,因為當該材料經歷相變時,原子會失去其有序的磁矩。[14]

亞鐵磁性[編輯]

材料僅在其相應的居禮溫度以下具有亞鐵磁性。在沒有外加磁場的情況下,亞鐵磁材料具有磁性,並由兩種不同離子組成。[18]

當沒有外加磁場時,材料具有自發磁化,這是有序磁矩的結果;也就是說,對於亞鐵磁性材料,一種離子的磁矩對準一個方向,有一個大小,另一種離子的磁矩對準相反方向,有一個不同的大小。因為磁矩在相反的方向有著不同的大小,所以仍然有自發磁化,存在磁場。[18]

和鐵磁性材料相似,磁性相互作用通過交換相互作用結合在一起。但是,磁矩的方向是反平行的,導致淨勢是一個減另一個。[18]

低於居禮點時,每個離子的原子都反平行對齊,有著不同的磁矩,造成自發磁化;材料具有亞鐵磁性。高於居禮點時,該材料是順磁性的,因為當該材料經歷相變時,原子會失去其有序的磁矩。[18]

反鐵磁性與奈爾溫度[編輯]

材料僅在其相應的奈爾溫度以下具有反鐵磁性。這與居禮溫度相似,高於奈爾溫度時,該材料經歷相變,變成順磁性。也就是說,熱能變得足夠大,足以破壞材料內的微觀磁有序性。 [19]它以路易·奈爾(Louis Néel,1904-2000 年)的名字命名,他因在該領域的工作而獲得了 1970 年的諾貝爾物理學獎

材料有方向相反的相等磁矩,導致在奈爾溫度以下磁矩為零和淨磁性為零。反鐵磁性材料在有或沒有外加磁場的情況下有很弱的磁性。

與鐵磁性材料相似,磁性相互作用通過交換相互作用結合在一起;否則,熱無序將克服磁矩的弱相互作用。[15][20]奈爾溫度時無序出現。[20]

下面列表中有幾種物質的奈爾溫度:[21]

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

參見[編輯]

參考資料[編輯]

引用[編輯]

  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
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 Cusack 1958,第269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
  19. ^ Spaldin, Nicola A. Magnetic materials : fundamentals and device applications Repr. Cambridge: Cambridge Univ. Press. 2006: 89–106. ISBN 9780521016582. 
  20. ^ 20.0 20.1 Jullien & Guinier 1989,第156–57頁
  21. ^ Kittel, Charles. Introduction to Solid State Physics 8th. New York: John Wiley & Sons. 2005. ISBN 978-0-471-41526-8. 
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  50. ^ Webster 1999,第6.55–6.56頁
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  52. ^ TMT-9000S
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來源[編輯]