Die Curie-Temperatur wird genannt. Magnetische Materialien und der Curie-Punkt
existieren stark magnetische Substanzen - Ferromagnete- Stoffe, die eine spontane Magnetisierung aufweisen, d. h. sie werden auch dann magnetisiert, wenn kein äußeres Magnetfeld vorhanden ist. Zu den Ferromagneten zählen neben ihrem Hauptvertreter Eisen (von dem der Name „Ferromagnetismus“ stammt) beispielsweise Kobalt, Nickel, Gadolinium, deren Legierungen und Verbindungen.
Ferromagnete verfügen neben der Fähigkeit zur starken Magnetisierung noch über weitere Eigenschaften, die sie deutlich von Dia- und Paramagneten unterscheiden. Wenn für schwach magnetische Stoffe die Abhängigkeit J aus N linear, dann ist diese Abhängigkeit für Ferromagnete recht komplex. Wenn Sie zunehmen N Magnetisierung J wächst zuerst schnell, dann langsamer und schließlich das sogenannte magnetische SättigungJ uns, nicht mehr abhängig von der Feldstärke. Ähnlicher Charakter der Abhängigkeit J aus N kann durch die Tatsache erklärt werden, dass mit zunehmendem Magnetisierungsfeld der Grad der Orientierung der molekularen magnetischen Momente entlang des Feldes zunimmt. Dieser Prozess beginnt sich jedoch zu verlangsamen, wenn immer weniger unorientierte Momente übrig bleiben und schließlich alle Momente sind entlang des Feldes ausgerichtet, eine weitere Steigerung J stoppt und es kommt zur magnetischen Sättigung.
Magnetische Induktion B= M 0 (H+J) in schwachen Feldern nimmt mit zunehmendem Anstieg schnell zu H wegen Erhöhung J und in starken Feldern, da der zweite Term konstant ist ( J=J uns), IN wächst mit zunehmendem N nach einem linearen Gesetz.
Ein wesentliches Merkmal von Ferromagneten sind nicht nur große Werte M(zum Beispiel für Eisen – 5000, für Supermalloy-Legierung – 800.000!), sondern auch die Abhängigkeit M aus N. Am Anfang M wächst mit zunehmendem N, dann, wenn es ein Maximum erreicht, beginnt es abzunehmen und tendiert bei starken Feldern zu 1 ( M= B/(M 0 H) = 1 + J/H, also wann J = J uns = konst mit Wachstum N Attitüde J/H® 0 , M®1).
Ein charakteristisches Merkmal von Ferromagneten ist auch die Abhängigkeit J aus H(und deshalb IN aus N) wird durch die Magnetisierungsgeschichte des Ferromagneten bestimmt. Dieses Phänomen nennt man magnetische Hysterese. Wenn Sie einen Ferromagneten bis zur Sättigung magnetisieren und dann beginnen, die Spannung zu reduzieren N Magnetisierungsfeld, dann erfahrungsgemäß eine Abnahme J. Bei N= 0J von Null abweicht, d. h. in einem Ferromagneten wird es beobachtet Restmagnetisierung J os. Das Vorhandensein einer Restmagnetisierung ist mit der Existenz verbunden Permanentmagnete. Unter dem Einfluss des Feldes wird die Magnetisierung zu Null N Mit , Es hat eine Richtung, die dem Feld entgegengesetzt ist, das die Magnetisierung verursacht hat. Spannung N s heißt Zwangsgewalt.
Bei weiterer Erhöhung des Gegenfeldes wird der Ferromagnet ummagnetisiert , und bei H = –H Sättigung erreicht wird. Anschließend kann der Ferromagnet wieder entmagnetisiert und erneut bis zur Sättigung ummagnetisiert werden
Wenn also ein Ferromagnet einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, nimmt die Magnetisierung zu Jändert sich entsprechend der Kurve , Was heisst Hystereseschleife(aus dem Griechischen „Verzögerung“). Die Hysterese führt dazu, dass die Magnetisierung eines Ferromagneten keine eindeutige Funktion ist N, diese. gleichen Wert N stimmt mit mehreren Werten überein J.
Unterschiedliche Ferromagnete ergeben unterschiedliche Hystereseschleifen. Ferromagnete mit geringer Koerzitivkraft (im Bereich von mehreren Tausendstel bis 1-2 A/cm). NS(mit enger Hystereseschleife) aufgerufen weich, mit einer großen (von mehreren zehn bis mehreren tausend Ampere pro Zentimeter) Koerzitivkraft (mit einer breiten Hystereseschleife) - hart. Mengen Ns, J Betriebssystem und M max bestimmen die Anwendbarkeit von Ferromagneten für bestimmte praktische Zwecke. So werden harte Ferromagnete (z. B. Kohlenstoff- und Wolframstähle) zur Herstellung von Permanentmagneten und weiche Ferromagnete (z. B. Weicheisen, eine Legierung aus Eisen und Nickel) zur Herstellung von Transformatorkernen verwendet.
Ferromagnete haben noch eine weitere wesentliche Eigenschaft: Für jeden Ferromagneten gibt es eine bestimmte Temperatur, genannt Curie-Punkt, bei dem es seine magnetischen Eigenschaften verliert. Wenn eine Probe über den Curie-Punkt erhitzt wird, verwandelt sich der Ferromagnet in einen gewöhnlichen Paramagneten. Der Übergang eines Stoffes vom ferromagnetischen Zustand in einen paramagnetischen Zustand, der am Curie-Punkt stattfindet, geht nicht mit der Aufnahme oder Abgabe von Wärme einher, d.h. Am Curie-Punkt findet ein Phasenübergang zweiter Ordnung statt (siehe § 75).
Schließlich geht der Magnetisierungsprozess von Ferromagneten mit einer Änderung seiner linearen Abmessungen und seines Volumens einher. Dieses Phänomen nennt man Magnetostriktion
Die Natur des Ferromagnetismus
Bei der Betrachtung der magnetischen Eigenschaften von Ferromagneten haben wir die physikalische Natur dieses Phänomens nicht offengelegt.
Nach den Vorstellungen von Weiss weisen Ferromagnete bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punkts eine spontane Magnetisierung auf, unabhängig vom Vorhandensein eines externen Magnetisierungsfeldes. Die spontane Magnetisierung steht jedoch im offensichtlichen Widerspruch zu der Tatsache, dass viele ferromagnetische Materialien selbst bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punkts nicht magnetisiert werden. Um diesen Widerspruch zu beseitigen, führte Weiss eine Hypothese ein, nach der ein Ferromagnet unterhalb des Curie-Punkts in eine große Anzahl kleiner makroskopischer Bereiche unterteilt ist – Domänen, spontan bis zur Sättigung magnetisiert.
In Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds sind die magnetischen Momente der einzelnen Domänen zufällig ausgerichtet und kompensieren sich gegenseitig, daher ist das resultierende magnetische Moment des Ferromagneten Null und der Ferromagnet ist nicht magnetisiert. Ein äußeres Magnetfeld richtet die magnetischen Momente nicht einzelner Atome entlang des Feldes aus, wie es bei Paramagneten der Fall ist, sondern ganzer Bereiche spontaner Magnetisierung. Deshalb mit Wachstum N Magnetisierung J und magnetische Induktion IN bereits auf relativ schwachen Feldern wachsen sie sehr schnell. Dies erklärt auch den Anstieg M Ferromagnete erreichen bei schwachen Feldern ihren Maximalwert. Experimente haben diese Abhängigkeit gezeigt B aus H ist nicht so glatt, sondern wirkt gestuft. Dies weist darauf hin, dass sich die Domänen im Inneren des Ferromagneten abrupt entlang des Feldes drehen.
Wenn das äußere Magnetfeld auf Null abgeschwächt wird, behalten Ferromagnete die Restmagnetisierung bei, da die thermische Bewegung die magnetischen Momente so großer Formationen wie Domänen nicht schnell desorientieren kann. Daher wird das Phänomen der magnetischen Hysterese beobachtet. Um einen Ferromagneten zu entmagnetisieren, muss eine Koerzitivkraft ausgeübt werden; Auch Schütteln und Erhitzen des Ferromagneten tragen zur Entmagnetisierung bei. Es stellt sich heraus, dass der Curie-Punkt die Temperatur ist, oberhalb derer die Zerstörung der Domänenstruktur auftritt.
Die Existenz von Domänen in Ferromagneten wurde experimentell nachgewiesen. Die direkte experimentelle Methode, sie zu beobachten, ist Pulverfigurenmethode. Auf die sorgfältig polierte Oberfläche des ferromagnetischen Materials wird eine wässrige Suspension aus feinem ferromagnetischem Pulver (z. B. Magnetit) aufgetragen. Partikel siedeln sich überwiegend an Orten maximaler Inhomogenität des Magnetfelds an, also an den Grenzen zwischen Domänen. Daher umreißt das abgesetzte Pulver die Grenzen der Domänen und ein ähnliches Bild kann unter einem Mikroskop fotografiert werden. Die linearen Abmessungen der Domänen betrugen 10 –4 – 10 –2 cm.
Es wurde nun festgestellt, dass die magnetischen Eigenschaften von Ferromagneten bestimmt werden durch Spinmagnetische Momente von Elektronen(Ein direkter experimenteller Hinweis darauf ist Einsteins Experiment. Es wurde auch festgestellt, dass nur kristalline Substanzen ferromagnetische Eigenschaften haben können, deren Atome unvollendete innere Elektronenhüllen mit unkompensierten Spins haben. In solchen Kristallen können Kräfte entstehen, die den Spin magnetisch machen Momente der Elektronen zur Orientierung parallel zueinander was zur Entstehung von Bereichen spontaner Magnetisierung führt. Diese Kräfte, Austauschkräfte genannt, sind Quantennatur – sie werden durch die Welleneigenschaften von Elektronen verursacht.
Verwandte Informationen.
Die Stärke des Magnetismus wird durch das sogenannte „magnetische Moment“ bestimmt – das Dipolmoment im Inneren des Atoms, das aus dem Drehimpuls und Spin der Elektronen entsteht. Abhängig von der Temperatur weisen Materialien unterschiedliche Strukturen ihrer eigenen magnetischen Momente auf. Der Curie-Punkt ist die Temperatur, bei der sich die intrinsischen magnetischen Momente eines Materials ändern.
Permanenter Magnetismus wird durch die Ausrichtung magnetischer Momente verursacht, und induzierter Magnetismus entsteht, wenn ungeordnete magnetische Momente gezwungen werden, sich in einem angelegten Magnetfeld auszurichten. Beispielsweise ändern sich geordnete magnetische Momente (ferromagnetisch) und werden bei der Curie-Temperatur ungeordnet (paramagnetisch). Höhere Temperaturen machen Magnete schwächer, da spontaner Magnetismus nur unterhalb der Curie-Temperatur auftritt – dies ist eines der Hauptmerkmale solcher spontanen Phänomene. Die magnetische Suszeptibilität oberhalb der Curie-Temperatur kann mithilfe des Curie-Weiss-Gesetzes berechnet werden, das aus dem Curie-Gesetz abgeleitet ist.
Verwendung und Formeln
Analog zu ferromagnetischen und paramagnetischen Materialien kann die Curie-Temperatur auch zur Beschreibung zwischen Ferroelektrizität und Paraelektrizität verwendet werden. In diesem Zusammenhang stellt der Ordnungsparameter die elektrische Polarisation dar, die von einem endlichen Wert auf Null geht, wenn die Temperatur über die Curie-Temperatur steigt.
Magnetische Momente sind permanente Dipolmomente im Inneren eines Atoms, die ein elektronisches Moment gemäß der Beziehung μl = el / 2me enthalten, wobei me die Elektronenmasse, μl das magnetische Moment und l der Drehimpuls ist, ohne das es schwierig ist Berechnen Sie die Curie-Temperatur. Diese Beziehung wird gyromagnetisch genannt.
Elektronen in einem Atom tragen magnetische Momente aus ihrem eigenen Drehimpuls und ihrem Bahnimpuls um den Kern bei. Magnetische Momente des Kerns sind im Gegensatz zu magnetischen Momenten von Elektronen unbedeutend. Thermische Beiträge führen dazu, dass höhere Elektronenenergien die Ordnung stören und die Ausrichtung zwischen den Dipolen zerstören.
Besonderheiten
Ferrimagnetische und antiferromagnetische Materialien haben unterschiedliche magnetische Momentstrukturen. Ab einer bestimmten Curie-Temperatur des Materials ändern sich diese Eigenschaften. Der Übergang von antiferromagnetisch zu paramagnetisch (oder umgekehrt) erfolgt bei der Néel-Temperatur, die der Curie-Temperatur ähnelt – dies ist im Wesentlichen die Hauptbedingung für einen solchen Übergang.
Ferromagnetische, paramagnetische, ferrimagnetische und antiferromagnetische Strukturen bestehen aus eigenen magnetischen Momenten. Wenn alle Elektronen innerhalb der Struktur gepaart sind, heben sich diese Momente aufgrund ihrer entgegengesetzten Spins und Drehimpulse auf. Selbst wenn ein Magnetfeld angelegt wird, haben diese Materialien daher unterschiedliche Eigenschaften und keine Curie-Temperatur – Eisen beispielsweise hat eine völlig andere Temperatur.
Das Material ist erst oberhalb seiner Curie-Temperatur paramagnetisch. Paramagnetische Materialien sind unmagnetisch, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, und magnetisch, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, weist das Material ungeordnete magnetische Momente auf; das heißt, die Atome sind asymmetrisch und nicht ausgerichtet. Wenn ein Magnetfeld vorhanden ist, ordnen sich die magnetischen Momente vorübergehend parallel zum angelegten Feld neu an, die Atome sind symmetrisch und ausgerichtet. In eine Richtung ausgerichtete magnetische Momente verursachen ein induziertes Magnetfeld.
Beim Paramagnetismus ist diese Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld positiv und wird als magnetische Suszeptibilität bezeichnet. Für ungeordnete Zustände gilt die magnetische Suszeptibilität nur oberhalb der Curie-Temperatur.
Jenseits des Curie-Punktes
Oberhalb der Curie-Temperatur werden Atome angeregt und die Spinorientierungen werden zufällig, können aber durch das angelegte Feld neu angeordnet werden, d. h. Das Material wird paramagnetisch. Alles unterhalb der Curie-Temperatur ist ein Raum, dessen innere Struktur bereits einen Phasenübergang durchlaufen hat, die Atome geordnet sind und das Material selbst ferromagnetisch geworden ist. Die durch paramagnetische Materialien induzierten Magnetfelder sind im Vergleich zu den Magnetfeldern ferromagnetischer Materialien sehr schwach.
Materialien sind nur unterhalb ihrer jeweiligen Curie-Temperatur ferromagnetisch. Ferromagnetische Materialien sind magnetisch, wenn kein angelegtes Magnetfeld vorhanden ist.
Wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, weist das Material eine spontane Magnetisierung auf, die aus geordneten magnetischen Momenten resultiert. Das heißt, beim Ferromagnetismus sind die Atome symmetrisch und in die gleiche Richtung ausgerichtet, wodurch ein konstantes Magnetfeld entsteht.
Curie-Temperatur für Ferromagnete
Magnetische Wechselwirkungen werden durch Austauschwechselwirkungen zusammengehalten; andernfalls würde die thermische Störung die magnetischen Momente überwinden. Bei der Austauschwechselwirkung ist die Wahrscheinlichkeit, dass parallele Elektronen denselben Zeitpunkt einnehmen, gleich null, was eine bevorzugte parallele Ausrichtung im Material impliziert. Der Boltzmann-Faktor leistet einen wesentlichen Beitrag, da er die Ausrichtung wechselwirkender Teilchen in die gleiche Richtung bevorzugt. Dies führt zu Ferromagneten mit starken Magnetfeldern und hohen Curie-Temperaturdefinitionen von etwa 1000 K.
Ferrimagnetische Materialien sind ohne angelegtes Magnetfeld magnetisch und bestehen aus zwei verschiedenen Ionen.
Spontaner Magnetismus
Wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, weist das Material einen spontanen Magnetismus auf, der aus geordneten magnetischen Momenten resultiert; diese. Beim Ferrimagnetismus sind die magnetischen Momente desselben Ionenmoments mit einer bestimmten Größe in eine Richtung ausgerichtet, und die magnetischen Momente eines anderen Ions sind mit einer anderen Größe in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet. Da magnetische Momente in entgegengesetzter Richtung unterschiedlich groß sind, liegt spontaner Magnetismus vor und es liegt ein Magnetfeld vor.
Was passiert unterhalb des Curie-Punktes?
Laut modernen Ferroelektrika hat die Curie-Temperatur ihre Grenzen. Wie bei ferromagnetischen Materialien werden magnetische Wechselwirkungen durch Austauschwechselwirkungen zusammengehalten. Die Orientierungen der Momente sind jedoch antiparallel, was durch Subtraktion ihrer Impulse voneinander zum Nettoimpuls führt.
Unterhalb der Curie-Temperatur sind die Atome jedes Ions mit unterschiedlichen Impulsen parallel ausgerichtet, was zu spontanem Magnetismus führt; Das Material ist ferrimagnetisch. Oberhalb der Curie-Temperatur ist das Material paramagnetisch, da die Atome ihre geordneten magnetischen Momente verlieren, wenn das Material einen Phasenübergang durchläuft.
Néel-Temperatur und Magnetismus
Das Material hat gleiche magnetische Momente, die in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, was bei allen Temperaturen unterhalb der Néel-Temperatur zu einem magnetischen Moment von Null und einem Magnetismus von Null führt. Antiferromagnetische Materialien werden in Abwesenheit eines Magnetfelds schwach magnetisiert.
Wie bei ferromagnetischen Materialien werden magnetische Wechselwirkungen durch Austauschwechselwirkungen zusammengehalten, wodurch verhindert wird, dass thermische Störungen schwache magnetische Momentwechselwirkungen überwinden. Wenn eine Störung auftritt, liegt die Néel-Temperatur vor.
Die ferromagnetischen Eigenschaften eines Stoffes treten erst bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punktes auf.
Die überwiegende Mehrheit der Atome verfügt über ein eigenes Magnetfeld. Fast jedes Atom lässt sich als winziger Magnet mit Nord- und Südpol darstellen. Dieser magnetische Effekt wird durch die Tatsache erklärt, dass Elektronen, wenn sie sich auf einer Umlaufbahn um einen Atomkern bewegen, mikroskopisch kleine elektrische Ströme erzeugen, die Magnetfelder erzeugen ( cm. Oersteds Entdeckung). Indem wir die von allen Elektronen eines Atoms induzierten Magnetfelder addieren, erhalten wir das gesamte Magnetfeld des Atoms.
In den meisten Stoffen sind die Magnetfelder der Atome zufällig ausgerichtet, wodurch sie sich gegenseitig aufheben. Bei manchen Stoffen und Materialien (vor allem Legierungen mit Eisen, Nickel oder Kobalt) sind die Atome jedoch so angeordnet, dass ihre Magnetfelder in die gleiche Richtung gerichtet sind und sich gegenseitig verstärken. Dadurch ist ein Stück einer solchen Substanz von einem Magnetfeld umgeben. Von diesen Substanzen werden genannt Ferromagnete, da sie meist Eisen enthalten und erhalten Permanentmagnete.
Um zu verstehen, wie Ferromagnete entstehen, stellen wir uns ein Stück heißes Eisen vor. Aufgrund der hohen Temperatur bewegen sich die Atome darin sehr schnell und chaotisch, sodass keine Möglichkeit zur Anordnung der atomaren Magnetfelder in eine Richtung besteht. Wenn jedoch die Temperatur sinkt, wird die thermische Bewegung schwächer und andere Effekte beginnen zu dominieren. In Eisen (und einigen anderen Metallen) wirkt auf atomarer Ebene eine Kraft, die dazu neigt, die magnetischen Dipole benachbarter Atome miteinander zu verbinden.
Diese Kraft der interatomaren Wechselwirkung, genannt Macht austauschen, wurde erstmals von Werner Heisenberg beschrieben ( cm. Heisenbergsche Unschärferelation). Dies liegt daran, dass zwei benachbarte Atome äußere Elektronen austauschen können und diese Elektronen beginnen, gleichzeitig beiden Atomen zu gehören. Die Austauschkraft bindet die Atome im Kristallgitter des Metalls fest und sorgt dafür, dass ihre Magnetfelder parallel und in eine Richtung gerichtet sind. Dadurch verstärken sich die geordneten Magnetfelder benachbarter Atome gegenseitig und heben sich nicht auf. Und ein solcher Effekt kann in einem Materievolumen in der Größenordnung von 1 mm 3 beobachtet werden, das bis zu 10 16 Atome enthält. Atome davon magnetische Domäne (cm. unten) sind so ausgerichtet, dass wir ein reines Magnetfeld haben.
Bei hohen Temperaturen wird die Wirkung dieser Kraft durch die thermische Bewegung der Atome behindert, bei niedrigen Temperaturen können sich die magnetischen Felder der Atome jedoch gegenseitig verstärken. Die Temperatur, bei der dieser Übergang stattfindet, wird aufgerufen Curie-Punkt Metall – zu Ehren des französischen Physikers Pierre Curie, der es entdeckt hat.
In Wirklichkeit ist der Aufbau von Ferromagneten viel komplexer als oben beschrieben. Typischerweise umfassen einzelne Domänen nur einige tausend Atome, deren Magnetfelder unidirektional sind, die Felder der verschiedenen Domänen sind jedoch zufällig gerichtet und das Material ist insgesamt nicht magnetisiert. Daher weist ein gewöhnliches Stück Eisen keine magnetischen Eigenschaften auf. Unter bestimmten Bedingungen sind jedoch auch die Magnetfelder der Domänen, aus denen der Ferromagnet besteht, geordnet (z. B. wenn heißes Eisen in einem starken Magnetfeld abkühlt). Und dann bekommen wir einen Permanentmagneten. Das Vorhandensein des Curie-Punktes erklärt auch, warum ein Permanentmagnet bei starker Erwärmung irgendwann vollständig wird Entmagnetisierung.
Marie Sklodowska Curie, 1867-1934
Polnischer, dann französischer Chemiker. Sie wurde in Warschau in einer intelligenten Familie während der schwierigen Zeit der russischen Besatzung in Polen geboren. Während ihrer Schulzeit half sie ihrer Mutter beim Unterhalt der Pension und diente dort als Dienstmädchen. Nach ihrem Schulabschluss arbeitete sie einige Zeit als Erzieherin für wohlhabende Familien, um Geld für die medizinische Ausbildung ihrer Schwester zu verdienen. In dieser Zeit kam es zu Sklodowskas Verlobung mit einem jungen Mann aus der Familie, in der sie diente, verärgert über die Eltern des Bräutigams (die Eltern hielten eine solche Heirat ihres Sohnes für unwürdig ihres sozialen Status und verpassten eine hervorragende Gelegenheit, den Genpool ihrer Familie zu verbessern). ). Nachdem ihre Schwester ihre medizinische Ausbildung in Paris erhalten hatte, ging Sklodowska selbst dorthin, um zu studieren.
Die hervorragenden Ergebnisse der Aufnahmeprüfungen in Physik und Mathematik erregten die Aufmerksamkeit führender französischer Wissenschaftler auf den jungen Polen. Das Ergebnis war ihre Verlobung mit Pierre Curie im Jahr 1894 und ihre Heirat mit ihm im folgenden Jahr. Damals begann die Erforschung des Phänomens Radioaktivität gerade erst, und die Arbeit auf diesem Gebiet nahm kein Ende. Pierre und Marie Curie begannen, radioaktive Proben aus in Böhmen geförderten Erzen zu entnehmen und zu untersuchen. Dadurch gelang es dem Paar, gleich mehrere neue radioaktive Elemente zu entdecken ( cm. Radioaktiver Zerfall), von denen einer zu ihren Ehren Curium und ein anderer zu Ehren der Heimat Marias Polonium genannt wurde. Für diese Studien erhielten die Curies zusammen mit Henri Becquerel (1852-1908), dem Entdecker der Röntgenstrahlen, 1903 den Nobelpreis für Physik. Es war Marie Curie, die als erste den Begriff „Radioaktivität“ prägte – nach dem Namen des ersten von Curie entdeckten radioaktiven Elements Radium.
Nach dem tragischen Tod von Pierre im Jahr 1906 lehnte Marie Curie die von der Sorbonne-Universität angebotene Rente ab und setzte ihre Forschungen fort. Es gelang ihr zu beweisen, dass es infolge des radioaktiven Zerfalls zu einer Umwandlung chemischer Elemente kommt, und legte damit den Grundstein für einen neuen Zweig der Naturwissenschaften – die Radiochemie. Für diese Arbeit erhielt Marie Curie 1911 den Nobelpreis für Chemie und gewann als erste Wissenschaftlerin zweimal den prestigeträchtigsten Preis für Leistungen in den Naturwissenschaften. (Im selben Jahr lehnte die Pariser Akademie der Wissenschaften ihre Kandidatur ab und nahm Marie Curie nicht in ihre Reihen auf. Offenbar reichten zwei Nobelpreise den Akademikern nicht aus, um ihre Neigung zur Diskriminierung aufgrund von Nationalität und Geschlecht zu überwinden.)
Während des Ersten Weltkriegs war Marie Curie aktiv in der angewandten medizinischen Forschung tätig und arbeitete an der Front mit einem tragbaren Röntgengerät. Im Jahr 1921 wurde in Amerika ein Abonnement eröffnet, um Geld für den Kauf von 1 Gramm reinem Radium für Marie Curie zu sammeln, das sie für weitere Forschungen benötigte. Während ihrer triumphalen Reise durch Amerika mit öffentlichen Vorträgen wurde Curie der Schlüssel zur Kiste mit dem kostbaren radioaktiven Metall von US-Präsident Warren Harding persönlich überreicht.
Die letzten Lebensjahre von Marie Curie waren geprägt von wichtigen internationalen Initiativen in den Bereichen Wissenschaft und Medizin. In den frühen 1930er Jahren verschlechterte sich Marie Curies Gesundheitszustand stark – die enormen Dosen radioaktiver Strahlung, die sie während langjähriger Experimente erhielt, beeinträchtigten sie – und 1934 starb sie in einem Sanatorium in den französischen Alpen.
Pierre Curie, 1859-1906
Französischer Physiker. Geboren in Paris in der Familie eines prominenten Arztes. Erhielt Heimunterricht. Zunächst studierte er Pharmakologie an der Sorbonne, interessierte sich aber schon bald für naturwissenschaftliche Experimente mit Kristallen, die sein Bruder Jacques durchführte, und wurde schließlich Direktor der Fakultät für Physik und Chemie (École de Physique et Chimie). 1895 heiratete er Maria Sklodowska und verteidigte im selben Jahr seine Doktorarbeit über die magnetischen Eigenschaften von Paramagneten ( cm. Curies Gesetz). Zusammen mit seiner Frau führte er unter schwierigen Arbeitsbedingungen an der Schule Experimente durch, um die Eigenschaften radioaktiver Substanzen zu untersuchen. 1904 wurde er zum Professor für Physik und Direktor des Labors (bald in das Radium-Institut umgewandelt) der Sorbonne ernannt. Im April 1906 kam Pierre Curie bei einem ungewöhnlichen Unfall ums Leben, als er unter die Räder eines Taxifahrers geriet. Er hatte nicht einmal Zeit, die Ausrüstung seines neuen Labors fertigzustellen.
13. Ferroelektrika. Curie-Temperatur.
Aktiv(gelang es)DielektrikaBenennen Sie die Materialienderen Eigenschaften in weiten Grenzen steuerbar sinddes äußeren Energieeinflusses: elektrische oder magnetische Feldstärke, mechanische Beanspruchung, Temperatur, Lichtfluss usw. Dies ist ihr grundlegender Unterschied zu herkömmlichen (passiven) Dielektrika.
Aktive Elemente elektronischer Geräte bestehen aus aktiven Dielektrika. Merkmale der Eigenschaften dieser Materialien sind Phänomene wie Ferroelektrizität, Elektret, piezoelektrische und elektrooptische Effekte, Injektionsströme usw., die als Grundlage für die Entwicklung dielektrischer Geräte dienten. Im Folgenden diskutieren wir die Strukturmerkmale und Eigenschaften einiger aktiver Dielektrika, die am weitesten verbreitet sind.
7.15.1. Ferroelektrika
Ferroelektrika verfügen im Gegensatz zu herkömmlichen (passiven) Dielektrika über einstellbare elektrische Eigenschaften. Zum Beispiel, Dielektrizitätskonstante von FerroelektrikaDie elektrische Spannung kann in einem weiten Bereich verändert werdeninnerhalb. Ein charakteristisches Merkmal von Ferroelektrika ist die neben elektronischen, ionischen und Relaxationsarten der Polarisation, die durch ein externes elektrisches Feld verursacht wird Es wird eine spontane Polarisation beobachtet, unter deren Einfluss diese Dielektrika eine Domänenstruktur und charakteristische ferroelektrische Eigenschaften erwerben.
In Abwesenheit von Elektrizität kommt es zu einer spontanen Polarisationtrisches Feld in einem bestimmten Temperaturbereich unterhalb des PunktesCurieTk wegen Veränderungen in der Struktur der Kree-ElementarzelleStahlgitter und Bildung einer Domänenstruktur, was wiederum dazu führt, dass Ferroelektrika:
ungewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstante (bis zu Zehntausenden);
nichtlineare Abhängigkeit der Polarisation und damit der Dielektrizitätskonstante von der Stärke des angelegten elektrischen Feldes;
eine ausgeprägte Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante von der Temperatur;
Vorhandensein einer dielektrischen Hysterese.
Die oben genannten Eigenschaften wurden von I.V. Kurchatov und P.P. Kobeko für Rochelle-Salz (Natrium-Kalium-Weinsäure NaKC4H4O6 4H2O) im Detail untersucht, daher werden Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften Ferroelektrika genannt. Das für praktische Anwendungen wichtigste Ferroelektrikum, Bariumtitanat, wurde 1944 von B.M. entdeckt. Blvd. Eine Reihe von Ferroelektrika wurde von G.A. entdeckt. Smolensky und andere.
Derzeit sind etwa 500 Materialien bekannt, die ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Abhängig von der Struktur der Elementarzelle und dem Mechanismus der spontanen Polarisation werden Ferroelektrika in ionische und Dipol-Ferroelektrika unterschieden, ansonsten in Verschiebungstyp- bzw. geordnete Ferroelektrika.
Ionische Ferroelektrika haben eine Elementarzellenstruktur Perowskit-Typ(Mineral CaTiO 3). Diese beinhalten:
Bariumtitanat BaTiO 3 (Tc = 120°C),
Bleititanat RbTiO 3 (Tc = 493°C),
Cadmiumtitanat CdTiО 3 (Тк = 223°С),
Bleimethaniobat PbNb 2 O 6 (Tk = 575°C),
Kaliumniobat KNbO 3 (Tk = 435°C),
Kaliumjodat KNbO 3 (Tc = 210°C) usw.
Alle chemischen Verbindungen dieser Gruppe sind wasserunlöslich, weisen eine erhebliche mechanische Festigkeit auf und Produkte daraus werden mithilfe der Keramiktechnologie hergestellt. Sie vertreten in meist Kristalle mit überwiegend ionischem GehaltKommunikation Für diese Gruppe von Ferroelektrika ist die spontane Polarisation schematisch in Abb. dargestellt. 7.1 am Beispiel der BaTiO 3 -Elementarzelle. Die Elementarzelle von Bariumtitanat hat bei hohen Temperaturen die Form eines Würfels (a = 4,01 · 10 -10 m); Bariumionen befinden sich an den Knoten des Würfels und Sauerstoffionen befinden sich in der Mitte der Flächen und bilden ein Sauerstoffoktaeder, in dessen Mitte sich ein Titanion befindet (siehe Abb. 7.1, a, a"). Aufgrund der intensiven thermischen Bewegung befindet sich das Titanion mit gleicher Wahrscheinlichkeit in der Nähe jedes Sauerstoffions, daher ist das elektrische Moment der Zelle aufgrund ihrer Symmetrie Null und das Dielektrikum befindet sich in einem paraelektrischen Zustand (der Begriff lautet). ähnlich dem Begriff „paramagnetisch“). Bei Temperaturen, die einem bestimmten Wert entsprechen und darunter liegen, der als Curie-Punkt (Tk) bezeichnet wird, Titanion, aufgrund der Schwächung der Energie der thermischen Bewegung, erscheint überwiegend in der Nähe eines der Sauerstoffionen und ist um 1 10 verschoben -11 M. Auch Bariumionen verschieben sich in die gleiche Richtung (um 5 · 10 -12 m).
Das gegenüber O 2- liegende Sauerstoffion, zu dem sich Ti 4+ verschoben hat, verschiebt sich in die entgegengesetzte Richtung (um 4 · 10 -12 m). Als Ergebnis dieser Ionenverschiebungen entstehen kubische Kühlergrill unbedeutendverformt sich aber in eine tetragonale Form(mit Elementarzellenparametern A= 3,99 A, Mit= 4,036 A), a Sauerstoffoktaederwie viel ist verzerrt(siehe Abb. 7.1, b, b"). Obwohl alle diese io-Offsetsneu, einschließlich Titanionen, sind relativ klein, dennoch sind sie sehr wichtig und zur Bildung von Bedeutung führen elektrisches Dipolmoment Po –
Reis. 7.1. Elementarzelle (a, a") von Bariumtitanat und seine Projektion (b b") bei Temperaturen oberhalb (a, a") und unterhalb des Curie-Punktes (b, b")
Entstehtspontane PolarisationUndEs findet ein Phasenübergang des Dielektrikums von paraelektrisch zu stattstehend in ferroelektrisch.
Auf diese Weise, Die spontane Polarisation ionischer Ferroelektrika erfolgt in Abwesenheit eines elektrischen Feldes in einem definierten Zustandüber einen bestimmten Temperaturbereich durch Ionenverdrängung Ti 4+ in der Lautstärke e Elementarzelle aus der zentralen Position und Verformung der Letzte.
Dipol-Ferroelektrika Sind
Rochelle-Salz NaKC4H4O6 4H2O (Tc = 24°C),
Triglycinsulfat (NH2CH2COOH)3 H2SO4 (Tk = 49°C),
Guanidin-Aluminiumsulfat-Hexahydrat C(NH3)2A1(SO4)2 · 6H2O (Tc > 200°C),
Natriumnitrit NaNO2 (Tc = 163°C),
Kaliumdihydrogenphosphat KH2P04 (Tk = -151 C) usw.
Chemische Verbindungen davonGruppen haben eine geringe mechanische Festigkeit und sind wasserlöslich, Dadurch können aus wässrigen Lösungen dieser Verbindungen große Einkristalle gezüchtet werden. Die Atome in diesen Verbindungen tragen eine Ladung, sind aber miteinander verbunden hauptsächlich gefälschtBandverbindung.
Dipol-Ferroelektrika in einer Elementarzelle enthalten ein Atom (Ion) oder eine Gruppe von Atomen (Ionen) mit zwei Gleichgewichtspositionen, in denen jeweils ein elektrisches Dipolmoment gebildet wird RÖ. Bei Temperaturen über dem Curie-Punkt sind diese beiden Gleichgewichtslagen aufgrund der chaotischen thermischen Bewegung gleich wahrscheinlich, daher gibt es keine spontane Polarisation und kein Dielektrikum
BeiT<Тк Eine der Positionen wird bevorzugt und erscheint in der Elementarzelle Dipolmoment; Es kommt zu einer spontanen Polarisation und das Dielektrikum geht vom paraelektrischen Zustand in den Zustand über
ferroelektrischlogisch (ein Phasenübergang findet statt).
Kann geschrieben werden als:
wobei $\overrightarrow(S_1)\overrightarrow(S_2)$ die Spins der interagierenden Elektronen sind, $I_(ob)$ das Austauschwechselwirkungsintegral ist. Bei $I_(ob)>0$ ist die Wechselwirkungsenergie bei parallelen Spins minimal. Sie entsteht durch die Wechselwirkung des magnetischen Moments des Elektrons ($(\overrightarrow(p))_m$) mit dem Magnetfeld (Austauschfeldinduktion $(\overrightarrow(B))_(ob)$) und wird bestimmt nach der Formel:
Das eigene magnetische Moment des Elektrons ($((\overrightarrow(p))_m)^0$) hängt mit dem Spin $\overrightarrow(S)\ $ durch die Beziehung zusammen:
wobei $q_e$, m die Ladung und Masse des Elektrons sind. Teilen und multiplizieren Sie die rechte Seite des Ausdrucks (1) durch $\frac(q_e)(m)$, wir erhalten:
Nehmen wir an, dass sich das zweite Elektron im Magnetfeld befindet, das das erste Elektron erzeugt, dann sollten wir schreiben:
Die gesamte Magnetfeldinduktion besteht aus der Feldinduktion ohne Austauschwechselwirkung ($\overrightarrow(B)$) und der Austauschfeldinduktion ($(\overrightarrow(B))_(ob)$). Verwendung bekannter Beziehungen:
Dabei ist $\overrightarrow(J)$ der Magnetisierungsvektor, $\varkappa $ die magnetische Suszeptibilität, $\mu $ die magnetische Permeabilität, $(\mu )_0$ die magnetische Konstante, $\overrightarrow(H)$ -- magnetische Feldstärke.
Liegt eine Austauschwechselwirkung vor, lässt sich Formel (10) wie folgt verallgemeinern:
Sei der Wert $\lambda $ eine Konstante der Austauschwechselwirkung, dann können wir Folgendes annehmen:
Setzen wir (12) in (11) ein, erhalten wir:
Machen wir einen Ersatz:
wobei $(\varkappa )"$ die Suszeptibilität unter Berücksichtigung der Austauschwechselwirkung charakterisiert ($\varkappa =\frac(C)(T)$).
Bei $T > \lambda C$ verhält sich die Substanz wie ein Paramagnet. Mit steigender Temperatur nimmt die magnetische Suszeptibilität ab. Bei $T=\lambda C$ gemäß (15) $(\varkappa )"\to \infty .$ Diese Tatsache bedeutet, dass kleinste Magnetfelder eine endliche Magnetisierung bewirken. Oder anders ausgedrückt, bei $T=\lambda C Es kommt zu spontaner Magnetisierung, das heißt, der Paramagnet wandelt sich in einen Ferromagneten um. Genauere theoretische Studien zeigen, dass die spontane Magnetisierung bei $T=\lambda C$ abrupt auftritt und mit abnehmender Temperatur zunimmt, also bei $T
Curie-Temperatur. Curie-Weiss-Gesetz
Für jeden Ferromagneten gibt es eine Temperatur ($T_k$), bei der Bereiche spontaner Magnetisierung zerfallen und die Substanz ihre ferromagnetischen Eigenschaften verliert und paramagnetisch wird. Diese Temperatur wird Curie-Punkt (oder Curie-Temperatur) genannt. Sie kann bei verschiedenen Ferromagneten erheblich variieren. Also für Eisen $T_(kF_e)=768(\rm()^\circ\!C)$, für Nickel $T_(kN_i)=365(\rm()^\circ\!C)$.
Die magnetische Suszeptibilität eines Ferromagneten gehorcht dem Curie-Weiss-Gesetz:
wobei der Wert $\lambda C=\theta $ als Curie-Weiss-Temperatur bezeichnet wird. Die Theorie zeigt, dass der Phasenübergang nicht bei der Curie-Weiss-Temperatur stattfindet, sondern nahe daran. Manchmal wird nicht zwischen der Curie-Temperatur, bei der ein Phasenübergang stattfindet, und der Curie-Weiss-Temperatur unterschieden.
Beispiel 1
Aufgabe: Zeigen Sie mithilfe der Langevin-Funktion den Bereich der spontanen Magnetisierung eines Ferromagneten. Wie hängen spontane Magnetisierung und Temperatur eines Ferromagneten zusammen?
Aus Langevins Theorie können wir die folgenden zwei Gleichungen für Ferromagnete erhalten:
\ \
Dabei ist $J_n$ die Sättigungsmagnetisierung, $k$ die Boltzmann-Konstante, $b$ die Weiss-Konstante, $x=\frac(p_m(H+bJ))(kT)$, $p_m$ das magnetische Moment . Die erste Gleichung wird praktischerweise durch die Langevin-Kurve ($OAA_0$) dargestellt (Abb. 1). Gleichung (1.2) ist eine gerade Linie CA, die die vertikale Achse am Punkt C schneidet, deren Ordinate am Punkt C -$\frac(H)(b).\ $ ist
Wenn die Temperatur eines Ferromagneten niedriger ist als seine Curie-Temperatur ($T \[\frac(kTn)(J_nb) In diesem Fall schneidet die Gerade AC die Langevin-Kurve am Punkt A, die Ordinate dieses Punktes ist die Magnetisierung des Ferromagneten ($J_1$). Wenn wir die Stärke des externen Magnetfelds verringern, steigt Punkt C auf Punkt O und Punkt A bewegt sich auf Punkt $A_0.$ Wenn H=0, dann ist die Magnetisierung gleich zu $J_(0.)$ Bei einer Temperatur unterhalb des Curie-Punkts wird der Ferromagnet spontan magnetisiert. Die Energie der thermischen Bewegung von Molekülen reicht nicht aus, um die spontane Magnetisierung zu zerstören.
Nehmen wir an, dass die Steigung der Geraden CA größer ist als die Steigung der Langevin-Kurve, also $T>T_k$. Bei Vorhandensein eines äußeren Magnetfeldes nimmt die Gerade SA die Position OD ein, d. h. sie schneidet die Langevin-Kurve nur im Koordinatenursprung, wo die Magnetisierung Null ist. Es gibt keine spontane Magnetisierung; die Magnetisierung wird durch thermische Bewegung zerstört.
Beispiel 2
Aufgabe: Ermitteln Sie mithilfe der Langevin-Funktion das Curie-Weiss-Gesetz.
Verwenden wir Abb. 1 (Beispiel 1). Betrachten wir einen Ferromagneten bei einer Temperatur $T>T_k.\ $Es gibt keine spontane Magnetisierung. Um einen Stoff zu magnetisieren, muss ein äußeres Magnetfeld angelegt werden. Berechnen wir die Magnetisierung. In diesem Fall nimmt die Gerade AC die Position CE ein und schneidet die Langevin-Kurve am Punkt $A_1$. Die Ordinate des Punktes $A_1$ bestimmt die Magnetisierung des Körpers ($J_2$). Die empirisch erhaltene OS-Ordinate ist gleich -$\frac(H)(b)$, sie ist klein, daher ist auch der Abschnitt O$A_1$ der Langevin-Kurve klein. Das bedeutet, dass der Abschnitt O$A_1$ als gerades Liniensegment betrachtet werden kann und wir schreiben können:
\ \
wenn wir den Ausdruck für die Curie-Temperatur eingeben:
\[\varkappa =\frac(T_k)(b(T-T_k))=\frac(C)(T-T_k)\ \left(2.6\right),\]
wobei $С=const.$ Gleichung (2.6) ist das Curie-Weiss-Gesetz.
Es könnte nützlich sein zu lesen:
- Fernstudium in Buchhaltungsstudiengängen;
- Messgrößen Messgrößen in der Physik;
- Magnetische Materialien und der Curie-Punkt;
- Quantentheorie der Schwerkraft;
- Allegorische Bedeutung der Ode „Felitsa“;
- Zelltheorie Grundpostulate der Zellularität;
- Trigonometrische Gleichungen – Formeln, Lösungen, Beispiele;
- Völker, die Afrika bewohnen Welche Völker lebten in der Geschichte des afrikanischen Kontinents?;