Temperatura curie se numește. Materialele magnetice și punctul Curie
exista substanțe foarte magnetice - feromagneți- substanțe care au magnetizare spontană, adică sunt magnetizate chiar și în absența unui câmp magnetic extern. Pe lângă reprezentantul lor principal - fier (de la care provine numele „feromagnetism”) - feromagneții includ, de exemplu, cobalt, nichel, gadoliniu, aliajele și compușii acestora.
Feromagneții, pe lângă capacitatea de a fi puternic magnetizați, au și alte proprietăți care îi deosebesc semnificativ de dia- și paramagneți. Dacă pentru substanţele slab magnetice dependenţa J din N liniară, atunci pentru feromagneți această dependență este destul de complexă. Pe măsură ce cresc N magnetizare J mai întâi crește rapid, apoi mai încet și în cele din urmă așa-numitul saturație magneticăJ noi, nu mai depinde de puterea câmpului. Natura similară a dependenței J din N poate fi explicat prin faptul că, pe măsură ce câmpul de magnetizare crește, gradul de orientare al momentelor magnetice moleculare de-a lungul câmpului crește, dar acest proces va începe să încetinească atunci când rămân din ce în ce mai puține momente neorientate și, în final, când toate momentele sunt orientate de-a lungul câmpului, o creștere suplimentară J se oprește și apare saturația magnetică.
Inductie magnetica B= m 0 (H+J) în câmpurile slabe crește rapid odată cu creșterea H datorita cresterii J, și în domenii puternice, deoarece al doilea termen este constant ( J=J S.U.A), ÎN crește odată cu creșterea N conform unei legi liniare.
O caracteristică esențială a feromagneților nu sunt doar valorile mari m(de exemplu, pentru fier - 5000, pentru aliaj supermalloy - 800.000!), dar și dependența m din N. La inceput m crește odată cu creșterea N, apoi, atingând un maxim, începe să scadă, tinzând în cazul câmpurilor puternice la 1 ( m= B/(m 0 H) = 1 + J/H, deci când J = J S.U.A = const cu crestere N atitudine J/H® 0 , m®1).
O trăsătură caracteristică a feromagneților este, de asemenea, că pentru ei dependența J din H(prin urmare ÎN din N) este determinată de istoricul de magnetizare a feromagnetului. Acest fenomen se numește histerezis magnetic. Dacă magnetizați un feromagnet până la saturație și apoi începeți să reduceți tensiunea N câmp magnetizant, apoi, după cum arată experiența, o scădere J. La N= 0J diferă de zero, adică într-un feromagnet se observă magnetizare reziduală J os. Prezența magnetizării reziduale este asociată cu existența magneți permanenți. Magnetizarea devine zero sub influența câmpului N Cu , având o direcţie opusă câmpului care a provocat magnetizarea. Tensiune N s se numește forță coercitivă.
Cu o creștere suplimentară în câmpul opus, feromagnetul este remagnetizat , iar la H = –H se atinge saturația. Apoi feromagnetul poate fi demagnetizat din nou și remagnetizat din nou până la saturație
Astfel, atunci când un feromagnet este expus unui câmp magnetic alternativ, magnetizarea J se modifică în funcţie de curbă , Care e numit bucla de histerezis(din grecescul „întârziere”). Histerezisul duce la faptul că magnetizarea unui feromagnet nu este o funcție unică N, acestea. aceeași valoare N corespunde mai multor valori J.
Feromagneții diferiți dau bucle de histerezis diferite. Feromagneți cu forță coercitivă scăzută (de la câteva miimi la 1-2 A/cm) NS(cu o buclă îngustă de histerezis) sunt numite moale, cu o forță coercitivă mare (de la câteva zeci la câteva mii de amperi pe centimetru) (cu o buclă largă de histerezis) - greu. Cantitati Ns, J OS și m max determina aplicabilitatea feromagneților pentru anumite scopuri practice. Astfel, feromagneții duri (de exemplu, oțelurile carbon și tungsten) sunt utilizați pentru a face magneți permanenți, iar feromagneții moi (de exemplu, fier moale, un aliaj de fier și nichel) sunt folosiți pentru a face miezuri de transformator.
Feromagneții au o altă caracteristică semnificativă: pentru fiecare feromagnet există o anumită temperatură, numită Punctul Curie, la care își pierde proprietățile magnetice. Când o probă este încălzită deasupra punctului Curie, feromagnetul se transformă într-un paramagnet obișnuit. Trecerea unei substanțe de la o stare feromagnetică la o stare paramagnetică, care are loc în punctul Curie, nu este însoțită de absorbția sau eliberarea de căldură, adică. în punctul Curie are loc o tranziție de fază de ordinul doi (vezi § 75).
În cele din urmă, procesul de magnetizare a feromagneților este însoțit de o modificare a dimensiunilor și volumului său liniare. Acest fenomen se numește magnetostricție
Natura feromagnetismului
Luând în considerare proprietățile magnetice ale feromagneților, nu am dezvăluit natura fizică a acestui fenomen.
Conform ideilor lui Weiss, feromagneții la temperaturi sub punctul Curie au magnetizare spontană, indiferent de prezența unui câmp de magnetizare extern. Magnetizarea spontană, însă, este în aparentă contradicție cu faptul că multe materiale feromagnetice, chiar și la temperaturi sub punctul Curie, nu sunt magnetizate. Pentru a elimina această contradicție, Weiss a introdus o ipoteză conform căreia un feromagnet sub punctul Curie este împărțit într-un număr mare de regiuni macroscopice mici - domenii, magnetizat spontan la saturație.
În absența unui câmp magnetic extern, momentele magnetice ale domeniilor individuale sunt orientate aleatoriu și se compensează reciproc, prin urmare momentul magnetic rezultat al feromagnetului este zero și feromagnetul nu este magnetizat. Un câmp magnetic extern orientează de-a lungul câmpului momentele magnetice nu ale atomilor individuali, cum este cazul paramagneților, ci regiuni întregi de magnetizare spontană. Prin urmare, cu creșterea N magnetizare Jși inducția magnetică ÎN deja în câmpuri destul de slabe cresc foarte repede. Aceasta explică și creșterea m feromagneți la valoarea maximă în câmpuri slabe. Experimentele au arătat că dependența B din H nu este atât de neted, dar are un aspect treptat. Acest lucru indică faptul că în interiorul feromagnetului domeniile se rotesc brusc de-a lungul câmpului.
Când câmpul magnetic extern este slăbit la zero, feromagneții păstrează magnetizarea reziduală, deoarece mișcarea termică nu este capabilă să dezorienteze rapid momentele magnetice ale unor formațiuni atât de mari precum domeniile. Prin urmare, se observă fenomenul de histerezis magnetic. Pentru a demagnetiza un feromagnet trebuie aplicată o forță coercitivă; Agitarea și încălzirea feromagnetului contribuie, de asemenea, la demagnetizare. Punctul Curie se dovedește a fi temperatura peste care are loc distrugerea structurii domeniului.
Existența domeniilor în feromagneți a fost dovedită experimental. Metoda experimentală directă de observare a acestora este metoda figurii pulbere. O suspensie apoasă de pulbere feromagnetică fină (de exemplu, magnetit) este aplicată pe suprafața lustruită cu grijă a materialului feromagnetic. Particulele se stabilesc predominant în locurile de maximă neomogenitate a câmpului magnetic, adică la granițele dintre domenii. Prin urmare, pulberea sedimentată conturează limitele domeniilor și o imagine similară poate fi fotografiată la microscop. Dimensiunile liniare ale domeniilor s-au dovedit a fi de 10 –4 – 10 –2 cm.
S-a stabilit acum că proprietățile magnetice ale feromagneților sunt determinate de momentele magnetice de spin ale electronilor(o indicație experimentală directă a acestui lucru este experimentul lui Einstein. De asemenea, s-a stabilit că numai substanțele cristaline pot avea proprietăți feromagnetice, atomii cărora au învelișuri electronice interne neterminate cu spini necompensați. În astfel de cristale pot apărea forțe care forțează spinul magnetic. momentele electronilor de orientare paralele între ele ceea ce duce la apariţia unor zone de magnetizare spontană. Aceste forțe, numite forțe de schimb, sunt de natură cuantică - sunt cauzate de proprietățile undei ale electronilor.
Informații conexe.
Puterea magnetismului este determinată de așa-numitul „moment magnetic” - momentul dipol din interiorul atomului, care provine din momentul unghiular și spinul electronilor. Materialele au structuri diferite ale propriilor momente magnetice, în funcție de temperatură. Punctul Curie este temperatura la care momentele magnetice intrinseci ale unui material se modifică.
Magnetismul permanent este cauzat de alinierea momentelor magnetice, iar magnetismul indus este creat atunci când momentele magnetice dezordonate sunt forțate să se alinieze într-un câmp magnetic aplicat. De exemplu, momentele magnetice ordonate (feromagnetice) se schimbă și devin dezordonate (paramagnetice) la temperatura Curie. Temperaturile mai ridicate fac magneții mai slabi, deoarece magnetismul spontan apare doar sub temperatura Curie - aceasta este una dintre principalele caracteristici ale unor astfel de fenomene spontane. Susceptibilitatea magnetică peste temperatura Curie poate fi calculată folosind legea Curie-Weiss, care este derivată din legea lui Curie.
Utilizare și formule
Prin analogie cu materialele feromagnetice și paramagnetice, temperatura Curie poate fi folosită și pentru a descrie între feroelectricitate și paraelectricitate. În acest context, parametrul de ordine reprezintă polarizarea electrică, care trece de la o valoare finită la zero pe măsură ce temperatura crește peste temperatura Curie.
Momentele magnetice sunt momente dipol permanente în interiorul unui atom, care conțin un moment electronic conform relației μl = el / 2me, unde me este masa electronului, μl este momentul magnetic, l este momentul unghiular, fără de care este dificil de calculați temperatura Curie; această relație se numește giromagnetică.
Electronii dintr-un atom contribuie la momente magnetice din propriul moment unghiular și din momentul lor orbital în jurul nucleului. Momentele magnetice din nucleu sunt nesemnificative, spre deosebire de momentele magnetice de la electroni. Contribuțiile termice duc la energii mai mari ale electronilor care perturbă ordinea și distrug alinierea dintre dipoli.
Particularități
Materialele ferimagnetice și antiferomagnetice au structuri diferite de moment magnetic. La o anumită temperatură Curie a materialului, aceste proprietăți se schimbă. Trecerea de la antiferomagnetic la paramagnetic (sau invers) are loc la temperatura Néel, care este similară cu temperatura Curie - aceasta este, în esență, principala condiție pentru o astfel de tranziție.
Structurile feromagnetice, paramagnetice, ferimagnetice și antiferomagnetice constau din propriile momente magnetice. Dacă toți electronii din structura sunt perechi, aceste momente se anulează din cauza spinilor și momentelor unghiulare opuse. Astfel, chiar și atunci când se aplică un câmp magnetic, aceste materiale au proprietăți diferite și nu au o temperatură Curie - fierul, de exemplu, folosește o temperatură complet diferită.
Materialul este paramagnetic doar peste temperatura lui Curie. Materialele paramagnetice sunt nemagnetice atunci când nu există câmp magnetic și magnetice când este aplicat un câmp magnetic. Când nu există câmp magnetic, materialul are momente magnetice dezordonate; adică atomii sunt asimetrici și nu sunt aliniați. Când este prezent un câmp magnetic, momentele magnetice sunt rearanjate temporar paralel cu câmpul aplicat, atomii sunt simetrici și aliniați. Momentele magnetice aliniate într-o direcție provoacă un câmp magnetic indus.
Pentru paramagnetism, acest răspuns la un câmp magnetic aplicat este pozitiv și este cunoscut sub numele de susceptibilitate magnetică. Susceptibilitatea magnetică se aplică numai peste temperatura Curie pentru stările dezordonate.
Dincolo de punctul Curie
Peste temperatura Curie, atomii sunt excitați, iar orientările spinului devin randomizate, dar pot fi rearanjate de câmpul aplicat, de exemplu. materialul devine paramagnetic. Tot ce este sub temperatura Curie este un spațiu a cărui structură internă a suferit deja o tranziție de fază, atomii sunt ordonați și materialul în sine a devenit feromagnetic. Câmpurile magnetice induse de materialele paramagnetice sunt foarte slabe în comparație cu câmpurile magnetice ale materialelor feromagnetice.
Materialele sunt doar feromagnetice sub temperaturile Curie respective. Materialele ferromagnetice sunt magnetice în absența unui câmp magnetic aplicat.
Când nu există câmp magnetic, materialul are magnetizare spontană rezultată din momente magnetice ordonate. Adică, pentru feromagnetism, atomii sunt simetrici și aliniați în aceeași direcție, creând un câmp magnetic constant.
Temperatura curie pentru feromagneți
Interacțiunile magnetice sunt ținute împreună prin interacțiuni de schimb; altfel dezordinea termica ar depasi momentele magnetice. Interacțiunea de schimb are probabilitatea zero ca electronii paraleli să ocupe același punct în timp, ceea ce implică o aliniere paralelă preferențială în material. Factorul Boltzmann are o contribuție semnificativă deoarece preferă ca particulele care interacționează să fie aliniate în aceeași direcție. Acest lucru are ca rezultat feromagneții care au câmpuri magnetice puternice și definiții ridicate ale temperaturii Curie de aproximativ 1000 K.
Materialele ferimagnetice sunt magnetice în absența unui câmp magnetic aplicat și sunt compuse din doi ioni diferiți.
Magnetism spontan
Când nu există câmp magnetic, materialul are magnetism spontan rezultat din momente magnetice ordonate; acestea. pentru ferimagnetism, momentele magnetice ale aceluiași moment ionic sunt aliniate într-o direcție cu o anumită mărime, iar momentele magnetice ale altui ion sunt aliniate în direcția opusă cu o mărime diferită. Deoarece momentele magnetice au mărimi diferite în direcții opuse, există magnetism spontan și este prezent un câmp magnetic.
Ce se întâmplă sub punctul Curie?
Potrivit feroelectricilor moderni, temperatura Curie are limitările sale. La fel ca materialele feromagnetice, interacțiunile magnetice sunt ținute împreună prin interacțiuni de schimb. Oricum, orientările momentelor sunt antiparalele, ceea ce are ca rezultat un impuls net prin scăderea impulsului lor unul de la celălalt.
Sub temperatura Curie, atomii fiecărui ion sunt aliniați în paralel cu momente diferite, provocând magnetism spontan; materialul este ferimagnetic. Peste temperatura Curie, materialul este paramagnetic deoarece atomii își pierd momentele magnetice ordonate atunci când materialul trece printr-o tranziție de fază.
Néel temperatura și magnetismul
Materialul are momente magnetice egale aliniate în direcții opuse, rezultând un moment magnetic zero și un magnetism zero la toate temperaturile sub temperatura Néel. Materialele antiferomagnetice sunt slab magnetizate în absența unui câmp magnetic.
La fel ca materialele feromagnetice, interacțiunile magnetice sunt ținute împreună prin interacțiuni de schimb, împiedicând dezordinea termică să depășească interacțiunile slabe de moment magnetic. Când apare tulburarea, aceasta este la temperatura Néel.
Proprietățile feromagnetice ale unei substanțe apar numai la temperaturi sub punctul Curie.
Marea majoritate a atomilor au propriul lor câmp magnetic. Aproape orice atom poate fi reprezentat ca un mic magnet cu un pol nord și sud. Acest efect magnetic se explică prin faptul că electronii, atunci când se deplasează pe orbită în jurul unui nucleu atomic, creează curenți electrici microscopici, care generează câmpuri magnetice ( cm. descoperirea lui Oersted). Adunând câmpurile magnetice induse de toți electronii unui atom, obținem câmpul magnetic total al atomului.
În majoritatea substanțelor, câmpurile magnetice ale atomilor sunt orientate aleatoriu, drept urmare se anulează reciproc. Cu toate acestea, în unele substanțe și materiale (în primul rând aliaje care conțin fier, nichel sau cobalt), atomii sunt ordonați astfel încât câmpurile lor magnetice să fie direcționate în aceeași direcție și să se întărească reciproc. Ca rezultat, o bucată dintr-o astfel de substanță este înconjurată de un câmp magnetic. Dintre aceste substante, numite feromagneți, deoarece de obicei conțin fier și primesc magneți permanenți.
Pentru a înțelege cum se formează feromagneții, să ne imaginăm o bucată de fier fierbinte. Datorită temperaturii ridicate, atomii din ea se mișcă foarte rapid și haotic, ne lăsând nicio posibilitate de ordonare a câmpurilor magnetice atomice într-o singură direcție. Cu toate acestea, pe măsură ce temperatura scade, mișcarea termică slăbește și alte efecte încep să domine. În fier (și în alte metale), la nivel atomic acționează o forță care tinde să combine dipolii magnetici ai atomilor vecini între ei.
Această forță de interacțiune interatomică, numită schimb de putere, a fost descris pentru prima dată de Werner Heisenberg ( cm. principiul incertitudinii Heisenberg). Se datorează faptului că doi atomi învecinați pot face schimb de electroni externi, iar acești electroni încep să aparțină ambilor atomi simultan. Forța de schimb leagă ferm atomii din rețeaua cristalină a metalului și face câmpurile lor magnetice paralele și direcționate în aceeași direcție. Ca rezultat, câmpurile magnetice ordonate ale atomilor învecinați sunt îmbunătățite reciproc, mai degrabă decât anulate. Și un astfel de efect poate fi observat într-un volum de materie de ordinul a 1 mm 3, care conține până la 10 16 atomi. Atomi din aceasta domeniul magnetic (cm. de mai jos) sunt aliniate în așa fel încât să avem un câmp magnetic pur.
La temperaturi ridicate, acțiunea acestei forțe este împiedicată de mișcarea termică a atomilor, dar la temperaturi scăzute, câmpurile magnetice atomice se pot întări reciproc. Temperatura la care are loc această tranziție se numește Punctul Curie metal - în onoarea fizicianului francez Pierre Curie care l-a descoperit.
În realitate, structura feromagneților este mult mai complexă decât cea descrisă mai sus. De obicei, domeniile individuale includ doar câteva mii de atomi, ale căror câmpuri magnetice sunt unidirecționale, dar câmpurile diferitelor domenii sunt direcționate aleatoriu și, în ansamblu, materialul nu este magnetizat. Prin urmare, o bucată obișnuită de fier nu prezintă proprietăți magnetice. Totuși, în anumite condiții, câmpurile magnetice ale domeniilor care compun feromagnetul sunt și ordonate (de exemplu, când fierul fierbinte se răcește într-un câmp magnetic puternic). Și apoi obținem un magnet permanent. Prezența punctului Curie explică și de ce, atunci când un magnet permanent este încălzit puternic, la un moment dat devine complet demagnetizare.
Marie Sklodowska Curie, 1867-1934
chimist polonez, apoi francez. Ea s-a născut la Varșovia într-o familie de intelectuali în timpul perioadei dificile a ocupației ruse care a lovit Polonia. În timp ce studia la școală, ea și-a ajutat mama să întrețină pensiunea, servind acolo ca menajeră. După absolvirea școlii, ea a lucrat o vreme ca guvernantă pentru familii bogate pentru a câștiga bani pentru educația medicală a surorii ei. În această perioadă, a avut loc logodna lui Sklodowska cu un tânăr din familia în care a slujit, supărată de părinții mirelui (părinții au considerat că o astfel de căsătorie a fiului lor este nedemnă de statutul lor social și au ratat o ocazie genială de a-și îmbunătăți fondul genetic al familiei). ). După ce sora ei a primit educația medicală la Paris, Sklodowska însăși a mers acolo pentru a studia.
Rezultatele strălucitoare ale examenelor de admitere la fizică și matematică au atras atenția sporită a oamenilor de știință francezi de frunte asupra tânărului polonez. Rezultatul a fost logodna ei în 1894 cu Pierre Curie și căsătoria cu el în anul următor. În acei ani, cercetările asupra fenomenului radioactivității abia începuseră și nu avea niciun sfârșit de lucru în acest domeniu. Pierre și Marie Curie au început să extragă probe radioactive din minereurile extrase în Boemia și să le studieze. Drept urmare, cuplul a reușit să descopere mai multe elemente radioactive noi simultan ( cm. Dezintegrare radioactivă), dintre care unul a fost numit curium în onoarea lor și altul - poloniu în onoarea patriei Mariei. Pentru aceste studii, familia Curie, împreună cu Henri Becquerel (1852-1908), care a descoperit razele X, au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru 1903. Marie Curie a fost cea care a inventat prima dată termenul „radioactivitate” - după numele primului element radioactiv radiu descoperit de Curie.
După moartea tragică a lui Pierre în 1906, Marie Curie a refuzat pensia oferită de Universitatea Sorbona și și-a continuat cercetările. Ea a reușit să demonstreze că, ca urmare a dezintegrarii radioactive, are loc transmutarea elementelor chimice și, prin urmare, a pus bazele pentru o nouă ramură a științelor naturale - radiochimia. Pentru această lucrare, Marie Curie a primit Premiul Nobel pentru Chimie pentru 1911 și a devenit primul om de știință care a câștigat de două ori cel mai prestigios premiu pentru realizările în științele naturii. (În același an, Academia de Științe din Paris i-a respins candidatura și nu a acceptat-o pe Marie Curie în rândurile sale. Se pare că două premii Nobel nu au fost suficiente pentru ca academicienii să-și depășească tendința de a discrimina pe baza naționalității și sexului.)
În timpul Primului Război Mondial, Marie Curie a fost angajată în cercetare medicală aplicată activă, lucrând pe front cu un aparat portabil de raze X. În 1921, în America a fost deschis un abonament pentru a strânge fonduri pentru a cumpăra 1 gram de radiu pur pentru Marie Curie, de care avea nevoie pentru cercetări ulterioare. În timpul turului ei triumfal prin America, cu prelegeri publice, cheia cutiei cu metalul radioactiv prețios i-a fost prezentată lui Curie de însuși președintele american Warren Harding.
Ultimii ani din viața lui Marie Curie au fost plini de inițiative internaționale importante în domeniile științei și medicinei. La începutul anilor 1930, starea de sănătate a Mariei Curie s-a deteriorat brusc - dozele uriașe de radiații radioactive pe care le-a primit în timpul multor ani de experimente au afectat-o - iar în 1934 a murit într-un sanatoriu din Alpii francezi.
Pierre Curie, 1859-1906
fizician francez. Născut la Paris în familia unui medic proeminent. A primit educație la domiciliu. Inițial a studiat farmacologia la Sorbona, dar foarte curând a devenit interesat de experimentele de științe naturale cu cristale, care au fost efectuate de fratele său Jacques, iar în cele din urmă a devenit director al Școlii de Fizică și Chimie (École de Physique et Chimie). În 1895 s-a căsătorit cu Maria Sklodowska și în același an și-a susținut teza de doctorat despre proprietățile magnetice ale paramagneților ( cm. legea lui Curie). Împreună cu soția sa, în condiții grele de muncă, a efectuat experimente la Școală pentru a studia proprietățile substanțelor radioactive. În 1904, a fost numit profesor de fizică și director al laboratorului (în curând transformat în Institutul Radium) al Sorbonei. În aprilie 1906, Pierre Curie a murit într-un accident ciudat, căzând sub roțile unui taximetrist. Nici măcar nu a avut timp să completeze echipamentul noului său laborator.
13. Feroelectrice. Temperatura Curie.
Activ(a reușit)dielectricedenumește materialeleale căror proprietăți pot fi controlate în limite largi folosindinfluența energiei externe: intensitatea câmpului electric sau magnetic, stresul mecanic, temperatura, fluxul luminos etc. Aceasta este diferența lor fundamentală față de dielectricii convenționali (pasivi).
Elementele active ale dispozitivelor electronice sunt realizate din dielectrici activi. Caracteristicile proprietăților acestor materiale sunt fenomene precum feroelectricitatea, electretul, efectele piezoelectrice și electro-optice, curenții de injecție etc., care au servit ca bază pentru dezvoltarea dispozitivelor dielectrice. Mai jos discutăm caracteristicile și proprietățile structurale ale unor dielectrici activi care au găsit cea mai largă aplicație.
7.15.1. Feroelectrice
Feroelectricii, spre deosebire de dielectricii convenționali (pasivi), au caracteristici electrice reglabile. De exemplu, constanta dielectrică a feroelectricilorutilizarea tensiunii electrice poate fi modificată într-o gamă largăîn. O trăsătură caracteristică a feroelectricilor este că, împreună cu tipurile de polarizare electronică, ionică și de relaxare cauzate de un câmp electric extern se observă polarizare spontană, sub influența cărora acești dielectrici dobândesc o structură de domeniu și proprietăți feroelectrice caracteristice.
Polarizarea spontană are loc în absența electricitățiicâmp tric într-un anumit interval de temperatură sub punctCurieTk din cauza modificări ale structurii celulei unitare Kreezăbrele de oțel și formarea unei structuri de domeniu, care, la rândul său, determină feroelectricii să:
constantă dielectrică neobișnuit de mare (până la zeci de mii);
dependența neliniară a polarizării și, prin urmare, constanta dielectrică, de puterea câmpului electric aplicat;
o dependență pronunțată a constantei dielectrice de temperatură;
prezența histerezii dielectrice.
Proprietățile de mai sus au fost studiate în detaliu de I.V. Kurchatov și P.P. Kobeko pentru sarea Rochelle (acid tartric de sodiu-potasiu NaKC4H4O6 4H2O), prin urmare substanțele cu proprietăți similare se numesc feroelectrice. Cel mai important feroelectric pentru aplicații practice, titanatul de bariu, a fost descoperit în 1944 de către B.M. Blvd. O serie de feroelectrice au fost descoperite de G.A. Smolensky și alții.
În prezent, se cunosc aproximativ 500 de materiale care au proprietăți feroelectrice. În funcție de structura celulei unitare și de mecanismul de polarizare spontană, feroelectricii se disting ca ionici și dipol, în caz contrar - de tip deplasare și respectiv feroelectrici ordonați.
Feroelectrice ionice au o structură celulară unitară tip perovskit(mineral CaTiO3). Acestea includ:
Titanat de bariu BaTiO 3 (Tc = 120°C),
titanat de plumb RbTiO 3 (Tc = 493°C),
titanat de cadmiu CdTiО 3 (Тк = 223°С),
Metaniobat de plumb PbNb 2 O 6 (Tk = 575°C),
niobat de potasiu KNbO 3 (Tk = 435°C),
Iodat de potasiu KNbO 3 (Tc = 210°C), etc.
Toți compușii chimici din acest grup sunt insolubili în apă, au o rezistență mecanică semnificativă, iar produsele din ei sunt produse folosind tehnologia ceramică. Ei reprezintă în preponderent cristale cu predominant ionicecomunicare Pentru acest grup de feroelectrici, polarizarea spontană este prezentată schematic în Fig. 7.1 folosind exemplul celulei unitare BaTiO3. Celula unitară de titanat de bariu la temperaturi ridicate are forma unui cub (a = 4,01 10 -10 m); ionii de bariu sunt localizați la nodurile cubului, iar ionii de oxigen sunt localizați în mijlocul fețelor, formând un octaedru de oxigen, în centrul căruia se află un ion de titan (vezi Fig. 7.1, a, a"). Ca urmare a mișcării termice intense, ionul de titan este la fel de probabil să fie situat lângă fiecare ion de oxigen, prin urmare, momentul electric al celulei, datorită simetriei sale, este zero, iar dielectricul este în stare paraelectrică (termenul este similar termenului „paramagnetic”). La temperaturi egale și sub o anumită, numită punct Curie (Tk), ion de titan, din cauza slăbirii energiei mișcării termice, apare predominant în apropierea unuia dintre ionii de oxigen, deplasându-se cu 1 10 -11 m. Ionii de bariu se deplasează și ei în aceeași direcție (cu 5 10 -12 m).
Ionul de oxigen situat vizavi de O 2-, spre care s-a deplasat Ti 4+, se deplasează în sens opus (cu 4 10 -12 m). Ca urmare a acestor deplasări ionice, cubice grila nesemnificativădar se deformează în tetragonală(cu parametrii celulei unitare A= 3,99 A, Cu= 4,036 A), a octaedru de oxigencât de mult este distorsionat(vezi Fig. 7.1, b, b"). Deşi toate acestea io decalajenou, inclusiv ionii de titan, sunt relativ mici, cu toate acestea sunt foarte importanți și duce la formarea unor semnificative moment dipol electric Po –
Orez. 7.1. Celula unitară (a, a") de titanat de bariu și proiecția acestuia (b b") la temperaturi peste (a, a") și sub punctul Curie (b, b")
Aparepolarizare spontanăȘiexistă o tranziție de fază a dielectricului de la paraelectric lastând în feroelectric.
Prin urmare, polarizarea spontană a feroelectricilor ionici are loc în absența unui câmp electric într-un interval definitîntr-un anumit interval de temperatură ca urmare a deplasării ionilor Ti 4+ în volum e celula unitară din poziţia centrală şi deformare ultimul.
Feroelectrice dipol sunt
sare Rochelle NaKC4H4O6 4H2O (Tc = 24°C),
sulfat de triglicină (NH2CH2COOH)3 H2SO4 (Tk = 49°С),
guanidină sulfat de aluminiu hexahidrat C(NH3)2A1(SO4)2 6H2O (Tc > 200°C),
nitrit de sodiu NaNO2 (Tc = 163°C),
fosfat dihidrogen de potasiu KH2P04 (Tk = -151 C), etc.
Compușii chimici ai acestuiagrupele au rezistență mecanică scăzută și sunt solubile în apă, datorită căruia pot fi crescute monocristale mari din soluții apoase ale acestor compuși. Atomii din acești compuși poartă o sarcină, dar sunt legați unul de celălalt în principal falsificateconexiune panglică.
Feroelectricii dipol dintr-o celulă unitară conțin un atom (ion) sau un grup de atomi (ioni) având două poziții de echilibru, în fiecare dintre care se formează un moment dipol electric R O. La temperaturi peste punctul Curie, ca urmare a mișcării termice haotice, aceste două poziții de echilibru sunt la fel de probabile, prin urmare nu există polarizare spontană, iar dielectricul
LaT<Тк una dintre poziții devine preferată și apare în celula unitară moment dipol; Are loc polarizarea spontană, iar dielectricul trece din starea paraelectrică la
feroelectricelogic (are loc o tranziție de fază).
Poate fi scris ca:
unde $\overrightarrow(S_1)\overrightarrow(S_2)$ sunt spinii electronilor care interacționează, $I_(ob)$ este integrala interacțiunii de schimb. Când $I_(ob)>0$ energia de interacțiune este minimă în cazul spinurilor paralele. Este cauzată de interacțiunea momentului magnetic al electronului ($(\overrightarrow(p))_m$) cu câmpul magnetic (inducția câmpului de schimb $(\overrightarrow(B))_(ob)$) și este determinată prin formula:
Momentul magnetic propriu al electronului ($((\overrightarrow(p))_m)^0$) este legat de spin $\overrightarrow(S)\ $ prin relația:
unde $q_e$, m sunt sarcina și masa electronului. Împărțiți și înmulțiți partea dreaptă a expresiei (1) cu $\frac(q_e)(m)$, obținem:
Să presupunem că al doilea electron se află în câmpul magnetic care creează primul electron, atunci ar trebui să scriem:
Inducția câmpului magnetic total constă din inducția câmpului fără interacțiune de schimb ($\overrightarrow(B)$) și inducția câmpului de schimb ($(\overrightarrow(B))_(ob)$). Folosind relații cunoscute:
unde $\overrightarrow(J)$ este vectorul de magnetizare, $\varkappa $ este susceptibilitatea magnetică, $\mu $ este permeabilitatea magnetică, $(\mu )_0$ este constanta magnetică, $\overrightarrow(H)$ -- intensitatea câmpului magnetic.
Dacă există o interacțiune de schimb, atunci formula (10) poate fi generalizată la:
Fie valoarea $\lambda $ o constantă a interacțiunii de schimb, atunci putem presupune că:
Să substituim (12) în (11), obținem:
Să facem un înlocuitor:
unde $(\varkappa )"$ caracterizează susceptibilitatea ținând cont de interacțiunea de schimb ($\varkappa =\frac(C)(T)$).
La $T > \lambda C$ substanţa se comportă ca un paramagnet. Susceptibilitatea magnetică scade odată cu creșterea temperaturii. La $T=\lambda C$ în conformitate cu (15) $(\varkappa )"\to \infty .$ Acest fapt înseamnă că cele mai mici câmpuri magnetice provoacă magnetizare finită. Sau, cu alte cuvinte, la $T=\lambda C $ are loc magnetizarea spontană, adică paramagnetul se transformă într-un feromagnet.Studii teoretice mai precise arată că magnetizarea spontană la $T=\lambda C$ are loc brusc, și crește odată cu scăderea temperaturii.Adică la $T
Temperatura Curie. Legea Curie-Weiss
Pentru orice feromagnet, există o temperatură ($T_k$) la care regiunile de magnetizare spontană se dezintegrează și substanța își pierde proprietățile feromagnetice și devine paramagnetică. Această temperatură se numește punctul Curie (sau temperatura Curie). Poate varia semnificativ pentru diferiți feromagneți. Deci pentru fier $T_(kF_e)=768(\rm()^\circ\!C)$, pentru nichel $T_(kN_i)=365(\rm()^\circ\!C)$.
Susceptibilitatea magnetică a feromagnetului respectă legea Curie-Weiss:
unde valoarea $\lambda C=\theta $ se numeste temperatura Curie-Weiss. Teoria arată că tranziția de fază nu are loc la temperatura Curie-Weiss, ci aproape de aceasta. Uneori nu se face distincție între temperatura Curie la care are loc o tranziție de fază și temperatura Curie-Weiss.
Exemplul 1
Sarcina: Folosind funcția Langevin, arătați regiunea de magnetizare spontană a unui feromagnet. Cum sunt legate magnetizarea spontană și temperatura unui feromagnet?
Din teoria lui Langevin putem obține următoarele două ecuații pentru feromagneți:
\ \
unde $J_n$ este magnetizarea de saturație, $k$ este constanta Boltzmann, $b$ este constanta Weiss, $x=\frac(p_m(H+bJ))(kT)$, $p_m$ este momentul magnetic . Prima ecuație este reprezentată convenabil de curba Langevin ($OAA_0$) (Fig. 1). Ecuația (1.2) este o dreaptă CA care intersectează axa verticală în punctul C, a cărei ordonată în punctul C este -$\frac(H)(b).\ $
Dacă temperatura unui feromagnet este mai mică decât temperatura lui Curie ($T \[\frac(kTn)(J_nb) În acest caz, dreapta AC va intersecta curba Langevin în punctul A, ordonata acestui punct este magnetizarea a feromagnetului ($J_1$).Dacă reducem puterea câmpului magnetic extern, atunci punctul C se va ridica în punctul O, iar punctul A se va muta în punctul $A_0.$ Dacă H=0, atunci magnetizarea este egală la $J_(0.)$ La o temperatură sub punctul Curie, feromagnetul este magnetizat spontan.Energia mișcării termice a moleculelor nu este suficientă pentru a perturba magnetizarea spontană.
Să presupunem că panta dreptei CA este mai mare decât panta curbei Langevin, adică $T>T_k$. În prezența unui câmp magnetic extern, linia dreaptă SA va lua poziția OD, adică va intersecta curba Langevin doar la originea coordonatelor, unde magnetizarea este zero. Nu există magnetizare spontană; magnetizarea este distrusă de mișcarea termică.
Exemplul 2
Sarcina: Folosind funcția Langevin, obțineți legea Curie-Weiss.
Să folosim Fig. 1 (Exemplul 1). Să considerăm un feromagnet la o temperatură $T>T_k.\ $Nu există magnetizare spontană. Pentru a magnetiza o substanță, trebuie aplicat un câmp magnetic extern. Să calculăm magnetizarea. In acest caz, dreapta AC va ocupa pozitia CE si va intersecta curba Langevin in punctul $A_1$.Ordonata punctului $A_1$ va determina magnetizarea corpului ($J_2$). Ordonata OS, obținută empiric, este egală cu -$\frac(H)(b)$, este mică, prin urmare secțiunea O$A_1$ a curbei Langevin este și ea mică. Aceasta înseamnă că secțiunea O$A_1$ poate fi considerată un segment de linie dreaptă și putem scrie:
\ \
dacă introducem expresia pentru temperatura Curie:
\[\varkappa =\frac(T_k)(b(T-T_k))=\frac(C)(T-T_k)\ \left(2.6\right),\]
unde $С=const.$ Ecuația (2.6) este legea Curie-Weiss.
Ar putea fi util să citiți:
- Învățământ la distanță în cursuri de contabilitate;
- Măsurarea mărimilor Măsurate s în fizică;
- Materialele magnetice și punctul Curie;
- Teoria cuantică a gravitației;
- Sensul alegoric al odei „Felitsa”;
- Teoria celulară Postulatele de bază ale celulare;
- Ecuații trigonometrice - formule, soluții, exemple;
- Popoare care locuiesc în Africa Ce popoare au locuit istoria continentului african;