Curiejeva temperatura se imenuje. Magnetni materiali in Curiejeva točka
obstajajo visoko magnetne snovi - feromagneti- snovi, ki imajo spontano magnetizacijo, to je, da so magnetizirane tudi v odsotnosti zunanjega magnetnega polja. Poleg njihovega glavnega predstavnika - železa (iz katerega izhaja ime "feromagnetizem") - feromagneti vključujejo na primer kobalt, nikelj, gadolinij, njihove zlitine in spojine.
Feromagneti imajo poleg sposobnosti močnega magnetiziranja tudi druge lastnosti, po katerih se bistveno razlikujejo od dia- in paramagnetov. Če je za šibko magnetne snovi odvisnost J od n linearna, potem je za feromagnete ta odvisnost precej zapletena. Ko povečate n magnetizacija J najprej raste hitro, nato počasneje in na koncu t.i magnetna nasičenostJ nas, ni več odvisno od jakosti polja. Podobna narava odvisnosti J od n je mogoče razložiti z dejstvom, da ko se magnetizirajoče polje poveča, stopnja usmerjenosti molekularnih magnetnih momentov vzdolž polja narašča, vendar se bo ta proces začel upočasnjevati, ko bo ostalo vse manj neorientiranih momentov in končno, ko bodo vsi trenutki so usmerjeni vzdolž polja, nadaljnje povečanje J ustavi in pride do magnetne nasičenosti.
Magnetna indukcija B= m 0 (H+J) v šibkih poljih hitro narašča z naraščanjem H zaradi povečanja J, in v močnih poljih, ker je drugi člen konstanten ( J=J mi), IN raste z naraščanjem n po linearnem zakonu.
Bistvena lastnost feromagnetov niso le velike vrednosti m(na primer za železo - 5000, za supermalojsko zlitino - 800.000!), ampak tudi odvisnost m od n. Na začetku m raste z naraščanjem N, potem, ko doseže maksimum, se začne zmanjševati in se v primeru močnih polj nagiba k 1 ( m= B/(m 0 H) = 1 + J/H, torej, ko J = J nas = konst z rastjo n odnos J/H® 0 , m®1).
Značilnost feromagnetov je tudi, da je zanje odvisnost J od H(in zato IN od n) določa zgodovina magnetizacije feromagneta. Ta pojav se imenuje magnetna histereza. Če magnetizirate feromagnet do nasičenja in nato začnete zmanjševati napetost n magnetizirajočega polja, potem, kot kažejo izkušnje, zmanjšanje J. pri n= 0J razlikuje od nič, kar pomeni, da se v feromagnetu opazi preostala magnetizacija J os. Prisotnost preostale magnetizacije je povezana z obstojem trajni magneti. Pod vplivom polja magnetizacija postane enaka nič n z , ima smer nasprotno od polja, ki je povzročilo magnetizacijo. Napetost n s se imenuje prisilna sila.
Z nadaljnjim povečanjem nasprotnega polja se feromagnet ponovno magnetizira , in pri H = –H dosežena je nasičenost. Nato lahko feromagnet ponovno razmagnetimo in ponovno magnetiziramo do nasičenja
Torej, ko je feromagnet izpostavljen izmeničnemu magnetnemu polju, magnetizacija J spreminja glede na krivuljo , ki se imenuje histerezna zanka(iz grškega "zamude"). Histereza vodi do dejstva, da magnetizacija feromagneta ni edinstvena funkcija N, tiste. enako vrednost n ujema z več vrednostmi J.
Različni feromagneti dajejo različne histerezne zanke. Feromagneti z nizko (od nekaj tisočink do 1-2 A/cm) koercitivno silo NS(z ozko histerezno zanko) se imenujejo mehko, z veliko (od nekaj deset do nekaj tisoč amperov na centimeter) prisilno silo (s široko histerezno zanko) - težka. Količine Ns, J OS in m max določajo uporabnost feromagnetov za določene praktične namene. Tako se trdi feromagneti (na primer ogljikova in volframova jekla) uporabljajo za izdelavo trajnih magnetov, mehki feromagneti (na primer mehko železo, zlitina železa in niklja) pa za izdelavo transformatorskih jeder.
Feromagneti imajo še eno pomembno lastnost: za vsak feromagnet obstaja določena temperatura, imenovana Curiejeva točka, pri kateri izgubi svoje magnetne lastnosti. Ko se vzorec segreje nad Curiejevo točko, se feromagnet spremeni v navaden paramagnet. Prehod snovi iz feromagnetnega stanja v paramagnetno stanje, ki se pojavi na Curiejevi točki, ne spremlja absorpcija ali sproščanje toplote, tj. na Curiejevi točki pride do faznega prehoda drugega reda (glej § 75).
Nazadnje, proces magnetizacije feromagnetov spremlja sprememba njegovih linearnih dimenzij in volumna. Ta pojav se imenuje magnetostrikcija
Narava feromagnetizma
Pri obravnavi magnetnih lastnosti feromagnetov nismo razkrili fizične narave tega pojava.
Po Weissovih zamislih imajo feromagneti pri temperaturah pod Curiejevo točko spontano magnetizacijo, ne glede na prisotnost zunanjega magnetnega polja. Spontana magnetizacija pa je v očitnem nasprotju z dejstvom, da mnogi feromagnetni materiali, tudi pri temperaturah pod Curiejevo točko, niso magnetizirani. Za odpravo tega protislovja je Weiss uvedel hipotezo, po kateri je feromagnet pod Curiejevo točko razdeljen na veliko število majhnih makroskopskih območij - domene, spontano magnetiziran do nasičenosti.
V odsotnosti zunanjega magnetnega polja so magnetni momenti posameznih domen usmerjeni naključno in se med seboj kompenzirajo, zato je nastali magnetni moment feromagneta enak nič in feromagnet ni magnetiziran. Zunanje magnetno polje usmerja magnetne momente vzdolž polja ne posameznih atomov, kot je to v primeru paramagnetov, temveč celotna področja spontane magnetizacije. Zato z rastjo n magnetizacija J in magnetna indukcija INže na precej šibkih poljih zelo hitro rastejo. To tudi pojasnjuje povečanje m feromagneti do največje vrednosti v šibkih poljih. Poskusi so pokazali, da odvisnost B od H ni tako gladka, ampak ima stopničast videz. To kaže, da se znotraj feromagneta domene nenadoma vrtijo vzdolž polja.
Ko je zunanje magnetno polje oslabljeno na nič, feromagneti ohranijo preostalo magnetizacijo, saj toplotno gibanje ne more hitro dezorientirati magnetnih momentov tako velikih formacij, kot so domene. Zato opazimo pojav magnetne histereze. Da bi razmagnetili feromagnet, je treba uporabiti prisilno silo; K razmagnetenju prispevata tudi tresenje in segrevanje feromagneta. Izkazalo se je, da je Curiejeva točka temperatura, nad katero pride do uničenja domenske strukture.
Obstoj domen v feromagnetih je bil eksperimentalno dokazan. Neposredna eksperimentalna metoda za njihovo opazovanje je metoda praškaste figure. Na skrbno polirano površino feromagnetnega materiala se nanese vodna suspenzija finega feromagnetnega prahu (na primer magnetita). Delci se usedajo pretežno na mestih največje nehomogenosti magnetnega polja, to je na mejah med domenami. Zato usedli prah začrta meje domen in podobno sliko je mogoče fotografirati pod mikroskopom. Izkazalo se je, da so linearne dimenzije domen 10 –4 – 10 –2 cm.
Zdaj je bilo ugotovljeno, da so magnetne lastnosti feromagnetov določene z spinski magnetni momenti elektronov(neposreden eksperimentalni pokazatelj tega je Einsteinov eksperiment. Ugotovljeno je bilo tudi, da imajo lahko feromagnetne lastnosti le kristalne snovi, katerih atomi imajo nedokončane notranje elektronske lupine z nekompenziranimi spini. V takšnih kristalih lahko nastanejo sile, ki prisilijo spin magnetno momenti elektronov za orientacijo vzporedno drug z drugim kar vodi v nastanek območij spontane magnetizacije. Te sile, imenovane menjalne sile, so kvantne narave – povzročajo jih valovne lastnosti elektronov.
Povezane informacije.
Moč magnetizma določa tako imenovani "magnetni moment" - dipolni moment znotraj atoma, ki izhaja iz vrtilne količine in vrtenja elektronov. Materiali imajo različne strukture lastnih magnetnih momentov, odvisno od temperature. Curiejeva točka je temperatura, pri kateri se spremenijo intrinzični magnetni momenti materiala.
Trajni magnetizem nastane zaradi poravnave magnetnih momentov, inducirani magnetizem pa nastane, ko so neurejeni magnetni momenti prisiljeni poravnati se v uporabljenem magnetnem polju. Na primer, urejeni magnetni momenti (feromagnetni) se spremenijo in postanejo neurejeni (paramagnetni) pri Curiejevi temperaturi. Zaradi višjih temperatur so magneti šibkejši, saj se spontani magnetizem pojavi le pod Curiejevo temperaturo – to je ena od glavnih značilnosti takšnih spontanih pojavov. Magnetno občutljivost nad Curiejevo temperaturo je mogoče izračunati z uporabo Curie-Weissovega zakona, ki izhaja iz Curiejevega zakona.
Uporaba in formule
Po analogiji s feromagnetnimi in paramagnetnimi materiali lahko Curiejevo temperaturo uporabimo tudi za opis med feroelektričnostjo in paraelektričnostjo. V tem kontekstu parameter reda predstavlja električno polarizacijo, ki gre od končne vrednosti do nič, ko se temperatura dvigne nad Curiejevo temperaturo.
Magnetni momenti so stalni dipolni momenti znotraj atoma, ki vsebujejo elektronski moment po razmerju μl = el / 2me, kjer je me masa elektrona, μl je magnetni moment, l je moment količine, brez katerega je težko izračunati Curiejevo temperaturo; to razmerje imenujemo žiromagnetno.
Elektroni v atomu prispevajo magnetne momente iz lastne kotne količine in iz orbitalne količine okoli jedra. Magnetni momenti iz jedra so za razliko od magnetnih momentov iz elektronov nepomembni. Toplotni prispevki povzročijo višje energije elektronov, ki porušijo red in uničijo poravnavo med dipoli.
Posebnosti
Ferimagnetni in antiferomagnetni materiali imajo različne strukture magnetnega momenta. Pri določeni Curiejevi temperaturi materiala se te lastnosti spremenijo. Prehod iz antiferomagnetnega v paramagnetni (ali obratno) se zgodi pri Neelovi temperaturi, ki je podobna Curiejevi temperaturi - to je v bistvu glavni pogoj za tak prehod.
Feromagnetne, paramagnetne, ferimagnetne in antiferomagnetne strukture so sestavljene iz lastnih magnetnih momentov. Če so vsi elektroni v strukturi seznanjeni, se ti momenti izničijo zaradi nasprotnih vrtljajev in kotnih momentov. Tako imajo ti materiali tudi ob uporabi magnetnega polja različne lastnosti in nimajo Curiejeve temperature – železo na primer uporablja popolnoma drugačno temperaturo.
Material je paramagneten samo nad Curiejevo temperaturo. Paramagnetni materiali so nemagnetni, če ni magnetnega polja, in magnetni, ko je magnetno polje uporabljeno. Ko magnetnega polja ni, ima material neurejene magnetne momente; to pomeni, da so atomi asimetrični in niso poravnani. Ko je prisotno magnetno polje, se magnetni momenti začasno prerazporedijo vzporedno z uporabljenim poljem, atomi so simetrični in poravnani. Magnetni momenti, usmerjeni v eno smer, povzročajo inducirano magnetno polje.
Za paramagnetizem je ta odziv na uporabljeno magnetno polje pozitiven in je znan kot magnetna občutljivost. Magnetna občutljivost velja samo za neurejena stanja nad Curiejevo temperaturo.
Onkraj Curiejeve točke
Nad Curiejevo temperaturo se atomi vzbudijo in usmeritve spinov postanejo naključne, vendar jih lahko prerazporedi uporabljeno polje, tj. material postane paramagneten. Vse, kar je pod Curiejevo temperaturo, je prostor, katerega notranja struktura je že prestala fazni prehod, atomi so urejeni in sam material je postal feromagneten. Magnetna polja, ki jih inducirajo paramagnetni materiali, so zelo šibka v primerjavi z magnetnimi polji feromagnetnih materialov.
Materiali so feromagnetni le pod svojimi Curiejevimi temperaturami. Feromagnetni materiali so magnetni v odsotnosti uporabljenega magnetnega polja.
Ko ni magnetnega polja, ima material spontano magnetizacijo, ki je posledica urejenih magnetnih momentov. To pomeni, da so za feromagnetizem atomi simetrični in poravnani v isto smer, kar ustvarja konstantno magnetno polje.
Curiejeva temperatura za feromagnete
Magnetne interakcije držijo skupaj izmenjavalne interakcije; drugače bi toplotna motnja premagala magnetne momente. Izmenjalna interakcija ima ničelno verjetnost, da bi vzporedni elektroni zasedli isto časovno točko, kar pomeni prednostno vzporedno poravnavo v materialu. Boltzmannov faktor pomembno prispeva, ker daje prednost medsebojno delujočim delcem, ki so poravnani v isto smer. Posledica tega so feromagneti, ki imajo močna magnetna polja in visoke definicije Curiejeve temperature okoli 1000 K.
Ferimagnetni materiali so magnetni v odsotnosti uporabljenega magnetnega polja in so sestavljeni iz dveh različnih ionov.
Spontani magnetizem
Kadar ni magnetnega polja, ima material spontani magnetizem, ki je posledica urejenih magnetnih momentov; tiste. za ferimagnetizem so magnetni momenti istega ionskega momenta poravnani v eno smer z določeno velikostjo, magnetni momenti drugega iona pa so poravnani v nasprotni smeri z drugačno velikostjo. Ker imajo magnetni momenti različne velikosti v nasprotnih smereh, obstaja spontani magnetizem in prisotno je magnetno polje.
Kaj se zgodi pod Curiejevo točko?
Glede na sodobne feroelektrike ima Curiejeva temperatura svoje omejitve. Tako kot feromagnetne materiale tudi magnetne interakcije držijo skupaj izmenjavalne interakcije. Vendar pa so orientacije momentov antiparalelne, kar ima za posledico neto zagon z odštevanjem njihove zagonske količine drug od drugega.
Pod Curiejevo temperaturo so atomi vsakega iona poravnani vzporedno z različnimi momenti, kar povzroči spontani magnetizem; material je ferimagneten. Nad Curiejevo temperaturo je material paramagneten, ker atomi izgubijo svoje urejene magnetne momente, ko je material podvržen faznemu prehodu.
Neelova temperatura in magnetizem
Material ima enake magnetne momente, poravnane v nasprotnih smereh, kar povzroči ničelni magnetni moment in ničelni magnetizem pri vseh temperaturah pod Neelovo temperaturo. Antiferomagnetni materiali so v odsotnosti magnetnega polja šibko magnetizirani.
Tako kot feromagnetni materiali tudi magnetne interakcije držijo skupaj izmenjavalne interakcije, kar preprečuje, da bi toplotna motnja premagala šibke interakcije magnetnega momenta. Ko pride do motnje, je pri Neelovi temperaturi.
Feromagnetne lastnosti snovi se pokažejo le pri temperaturah pod Curiejevo točko.
Velika večina atomov ima lastno magnetno polje. Skoraj vsak atom lahko predstavljamo kot majhen magnet s severnim in južnim polom. Ta magnetni učinek je razložen z dejstvom, da elektroni, ko se gibljejo po orbiti okoli atomskega jedra, ustvarjajo mikroskopske električne tokove, ki ustvarjajo magnetna polja ( cm. Oerstedovo odkritje). Če seštejemo magnetna polja, ki jih inducirajo vsi elektroni atoma, dobimo skupno magnetno polje atoma.
V večini snovi so magnetna polja atomov naključno usmerjena, zaradi česar se med seboj izničijo. Vendar pa so v nekaterih snoveh in materialih (predvsem zlitinah, ki vsebujejo železo, nikelj ali kobalt) atomi urejeni tako, da so njihova magnetna polja usmerjena v isto smer in se med seboj krepijo. Posledično je kos takšne snovi obdan z magnetnim poljem. Od teh snovi, imenovanih feromagneti, saj običajno vsebujejo železo in prejemajo trajni magneti.
Da bi razumeli, kako nastanejo feromagneti, si predstavljajmo kos vročega železa. Atomi v njem se zaradi visoke temperature gibljejo zelo hitro in kaotično ter ne puščajo možnosti za urejenost atomskih magnetnih polj v eno smer. Ko pa se temperatura zniža, toplotno gibanje oslabi in začnejo prevladovati drugi učinki. V železu (in nekaterih drugih kovinah) na atomski ravni deluje sila, ki teži k združevanju magnetnih dipolov sosednjih atomov med seboj.
Ta sila medatomske interakcije, imenovana menjalna moč, je prvi opisal Werner Heisenberg ( cm. Heisenbergovo načelo negotovosti). To je posledica dejstva, da lahko dva sosednja atoma izmenjujeta zunanje elektrone in ti elektroni začnejo pripadati obema atomoma hkrati. Izmenjalna sila trdno veže atome v kristalno mrežo kovine in naredi njihova magnetna polja vzporedna in usmerjena v eno smer. Posledično se urejena magnetna polja sosednjih atomov medsebojno okrepijo in ne izničijo. In tak učinek lahko opazimo v prostornini snovi reda 1 mm 3, ki vsebuje do 10 16 atomov. Atomi tega magnetna domena (cm. spodaj) so postavljeni tako, da imamo čisto magnetno polje.
Pri visokih temperaturah delovanje te sile ovira toplotno gibanje atomov, pri nizkih temperaturah pa se lahko atomska magnetna polja medsebojno krepijo. Temperatura, pri kateri pride do tega prehoda, se imenuje Curiejeva točka kovina - v čast francoskega fizika Pierra Curieja, ki jo je odkril.
V resnici je struktura feromagnetov veliko bolj zapletena, kot je opisano zgoraj. Običajno posamezne domene vključujejo le nekaj tisoč atomov, katerih magnetna polja so enosmerna, vendar so polja različnih domen usmerjena naključno in kot celota material ni magnetiziran. Zato navaden kos železa ne kaže magnetnih lastnosti. Vendar pa so pod določenimi pogoji urejena tudi magnetna polja domen, ki sestavljajo feromagnet (na primer, ko se vroče železo ohlaja v močnem magnetnem polju). In potem dobimo trajni magnet. Prisotnost Curiejeve točke tudi pojasnjuje, zakaj, ko se trajni magnet močno segreje, na neki točki postane popolnoma razmagnetenje.
Marie Sklodowska Curie, 1867-1934
poljski, nato francoski kemik. Rodila se je v Varšavi v intelektualni družini v težkem obdobju ruske okupacije, ki je doletela Poljsko. Med študijem v šoli je materi pomagala vzdrževati penzion, kjer je služila kot služkinja. Po končani šoli je nekaj časa delala kot guvernanta pri premožnih družinah, da bi zaslužila denar za sestrino medicinsko izobraževanje. V tem obdobju se je zgodila zaroka Sklodowske z mladeničem iz družine, kjer je služila, ki so jo razburili ženinovi starši (starši so menili, da je takšna poroka njihovega sina nevredna njihovega družbenega statusa in so zamudili sijajno priložnost za izboljšanje družinskega genskega sklada ). Potem ko je njena sestra prejela medicinsko izobrazbo v Parizu, je Sklodowska sama odšla tja študirat.
Briljantni rezultati sprejemnih izpitov iz fizike in matematike so na mladega Poljaka pritegnili veliko pozornost vodilnih francoskih znanstvenikov. Rezultat je bila njena zaroka leta 1894 s Pierrom Curiejem in poroka z njim naslednje leto. V tistih letih so se raziskave pojava radioaktivnosti šele začenjale in dela na tem področju ni bilo konca. Pierre in Marie Curie sta začela pridobivati radioaktivne vzorce iz rud, izkopanih na Češkem, in jih preučevati. Posledično je paru uspelo odkriti več novih radioaktivnih elementov hkrati ( cm. Radioaktivni razpad), od katerih je bil eden v njihovo čast imenovan kurij, drugi pa polonij v čast Marijine domovine. Za te študije sta zakonca Curiejeva skupaj s Henrijem Becquerelom (1852-1908), ki je odkril rentgenske žarke, leta 1903 prejela Nobelovo nagrado za fiziko. Marie Curie je prva skovala izraz "radioaktivnost" - po imenu prvega radioaktivnega elementa radija, ki ga je odkril Curie.
Po tragični Pierrovi smrti leta 1906 je Marie Curie zavrnila pokojnino, ki jo je ponujala univerza Sorbona, in nadaljevala z raziskovanjem. Uspelo ji je dokazati, da kot posledica radioaktivnega razpada pride do transmutacije kemijskih elementov, in s tem postavila temelje novi veji naravoslovja - radiokemiji. Za to delo je Marie Curie leta 1911 prejela Nobelovo nagrado za kemijo in postala prva znanstvenica, ki je dvakrat prejela najprestižnejšo nagrado za dosežke v naravoslovju. (Istega leta je Pariška akademija znanosti zavrnila njeno kandidaturo in Marie Curie ni sprejela v svoje vrste. Očitno dve Nobelovi nagradi nista bili dovolj, da bi akademiki presegli nagnjenost k diskriminaciji na podlagi narodnosti in spola.)
Med prvo svetovno vojno se je Marie Curie aktivno ukvarjala z uporabnimi medicinskimi raziskavami in delala na fronti s prenosnim rentgenskim aparatom. Leta 1921 so v Ameriki odprli naročnino za zbiranje sredstev za nakup 1 grama čistega radija za Marie Curie, ki ga je potrebovala za nadaljnje raziskave. Med njeno zmagoslavno turnejo po Ameriki z javnimi predavanji je ključ do škatle z žlahtno radioaktivno kovino Curiejevi izročil kar ameriški predsednik Warren Harding.
Zadnja leta življenja Marie Curie so bila polna pomembnih mednarodnih pobud na področju znanosti in medicine. V zgodnjih tridesetih letih prejšnjega stoletja se je zdravje Marie Curie močno poslabšalo - prizadeli so jo ogromni odmerki radioaktivnega sevanja, ki jih je prejela med dolgoletnimi poskusi - in leta 1934 je umrla v sanatoriju v francoskih Alpah.
Pierre Curie, 1859-1906
francoski fizik. Rojen v Parizu v družini uglednega zdravnika. Domača vzgoja. Sprva je študiral farmakologijo na Sorboni, a se je zelo kmalu začel zanimati za naravoslovne poskuse s kristali, ki jih je izvajal njegov brat Jacques, in sčasoma postal direktor Šole za fiziko in kemijo (École de Physique et Chimie). Leta 1895 se je poročil z Marijo Sklodowsko in istega leta zagovarjal doktorsko disertacijo o magnetnih lastnostih paramagnetov ( cm. Curiejev zakon). Skupaj z ženo je v težkih delovnih razmerah na šoli izvajal poskuse za preučevanje lastnosti radioaktivnih snovi. Leta 1904 je bil imenovan za profesorja fizike in direktorja laboratorija (kmalu preoblikovanega v Inštitut za radij) na Sorboni. Aprila 1906 je Pierre Curie umrl v čudni nesreči, ko je padel pod kolesa taksista. Niti ni imel časa dokončati opreme svojega novega laboratorija.
13. Feroelektriki. Curiejeva temperatura.
Aktiven(upravljano)dielektrikipoimenovati materialekaterih lastnosti je mogoče nadzorovati v širokih mejah z uporabozunanjega energijskega vpliva: električna ali magnetna poljska jakost, mehanske obremenitve, temperatura, svetlobni tok itd. To je njihova temeljna razlika od običajnih (pasivnih) dielektrikov.
Aktivni elementi elektronskih naprav so izdelani iz aktivnih dielektrikov. Značilnosti lastnosti teh materialov so pojavi, kot so feroelektričnost, elektret, piezoelektrični in elektrooptični učinki, injekcijski tokovi itd., Ki so služili kot osnova za razvoj dielektričnih naprav. Spodaj obravnavamo strukturne značilnosti in lastnosti nekaterih aktivnih dielektrikov, ki so našli najširšo uporabo.
7.15.1. Feroelektriki
Feroelektriki imajo za razliko od običajnih (pasivnih) dielektrikov nastavljive električne karakteristike. na primer dielektrična konstanta feroelektrikovz uporabo električne napetosti se lahko spreminja v širokem razponuznotraj. Značilnost feroelektrikov je, da poleg elektronske, ionske in relaksacijske vrste polarizacije, ki jo povzroča zunanje električno polje opazimo spontano polarizacijo, pod vplivom katerega ti dielektriki pridobijo domensko strukturo in značilne feroelektrične lastnosti.
V odsotnosti elektrike pride do spontane polarizacijetrično polje v določenem temperaturnem območju pod točkoCurieTk zaradi spremembe v strukturi enote celice Kreejeklena mreža in tvorba domenske strukture, kar posledično povzroči, da feroelektriki:
nenavadno visoka dielektrična konstanta (do deset tisoč);
nelinearna odvisnost polarizacije in s tem dielektrične konstante od jakosti uporabljenega električnega polja;
izrazita odvisnost dielektrične konstante od temperature;
prisotnost dielektrične histereze.
Zgornje lastnosti so podrobno proučevali I.V.Kurchatov in P.P.Kobeko za Rochellovo sol (natrijevo-kalijevo vinsko kislino NaKC4H4O6 4H2O), zato se snovi s podobnimi lastnostmi imenujejo feroelektriki. Najpomembnejši feroelektrik za praktično uporabo, barijev titanat, je leta 1944 odkril B.M. Blvd. Številne feroelektrike je odkril G.A. Smolenski in drugi.
Trenutno je znanih približno 500 materialov, ki imajo feroelektrične lastnosti. Odvisno od zgradbe enote celice in mehanizma spontane polarizacije se feroelektriki razlikujejo kot ionski in dipolni, sicer pa premaknitveni in urejeni feroelektriki.
Ionski feroelektriki imajo strukturo enotne celice tip perovskita(mineral CaTiO 3). Tej vključujejo:
barijev titanat BaTiO 3 (Tc = 120 °C),
svinčev titanat RbTiO 3 (Tc = 493°C),
kadmijev titanat CdTiO 3 (Тк = 223 ° С),
svinčev metaniobat PbNb 2 O 6 (Tk = 575 °C),
kalijev niobat KNbO 3 (Tk = 435°C),
Kalijev jodat KNbO 3 (Tc = 210°C) itd.
Vse kemične spojine te skupine so netopne v vodi, imajo pomembno mehansko trdnost, izdelki iz njih pa se proizvajajo s keramično tehnologijo. Predstavljajo v večinoma kristali s pretežno ionskimikomunikacije Za to skupino feroelektrikov je spontana polarizacija shematično prikazana na sl. 7.1 na primeru enote celice BaTiO 3 . Enotna celica barijevega titanata ima pri visokih temperaturah obliko kocke (a = 4,01 10 -10 m); barijevi ioni se nahajajo na vozliščih kocke, kisikovi ioni pa se nahajajo na sredini ploskev in tvorijo kisikov oktaeder, v središču katerega se nahaja titanov ion (glej sliko 7.1, a, a"). Zaradi intenzivnega toplotnega gibanja je enako verjetno, da se titanov ion nahaja v bližini vsakega kisikovega iona, zato je električni moment celice zaradi njene simetrije enak nič in dielektrik je v paraelektričnem stanju (izraz je podobno kot izraz "paramagnetno") Pri temperaturah, ki so enake in nižje od določene, imenovane Curiejeva točka (Tk), titanov ion, zaradi oslabitve energije toplotnega gibanja, se pojavi pretežno v bližini enega od kisikovih ionov in se premakne za 1 10 -11 m. V isto smer se premaknejo tudi barijevi ioni (za 5 10 -12 m).
Kisikov ion, ki se nahaja nasproti O 2-, na katerega se je premaknil Ti 4+, se premakne v nasprotno smer (za 4 10 -12 m). Kot rezultat teh ionskih premikov, kubični rešetka nepomembnapa se deformira v štirikotno(s parametri enotske celice A= 3,99 A, z= 4,036 A), a kisikov oktaederkoliko je popačeno(glej sliko 7.1, b, b"). Čeprav so vsi ti io odmikinovo, vključno s titanovimi ioni, so relativno majhni, vendar so zelo pomembni in vodijo v nastanek pomembnih električni dipolni moment Po –
riž. 7.1. Enotna celica (a, a") barijevega titanata in njegova projekcija (b b") pri temperaturah nad (a, a") in pod Curiejevo točko (b, b")
Nastanespontana polarizacijainpride do faznega prehoda dielektrika iz paraelektrika vki stoji v feroelektriku.
torej do spontane polarizacije ionskih feroelektrikov pride v odsotnosti električnega polja v določenemv določenem temperaturnem območju kot posledica izpodrivanja ionov Ti 4+ v prostornini enota celice od središčnega položaja in deformacije zadnji.
Dipolni feroelektriki so
Rochelle sol NaKC4H4O6 4H2O (Tc = 24°C),
triglicin sulfat (NH2CH2COOH)3 H2SO4 (Tk = 49°C),
gvanidin aluminijev sulfat heksahidrat C(NH3)2A1(SO4)2 · 6H2O (Tc > 200°C),
natrijev nitrit NaNO2 (Tc = 163 °C),
kalijev dihidrogenfosfat KH2P04 (Tk = -151 C) itd.
Kemične spojine tegaskupine imajo nizko mehansko trdnost in so topne v vodi, zaradi česar lahko iz vodnih raztopin teh spojin zrastejo veliki monokristali. Atomi v teh spojinah nosijo naboj, vendar so med seboj povezani v glavnem kovanitračna povezava.
Dipolni feroelektriki v enotski celici vsebujejo atom (ion) ali skupino atomov (ionov), ki ima dva ravnotežna položaja, v vsakem od katerih se tvori električni dipolni moment R O. Pri temperaturah nad Curiejevo točko sta zaradi kaotičnega toplotnega gibanja ti dve ravnotežni poziciji enako verjetni, zato ni spontane polarizacije in dielektrik
priT<Тк eden od položajev postane prednosten in se pojavi v enotni celici dipolni moment; Pride do spontane polarizacije in dielektrik preide iz paraelektričnega stanja v
feroelektričnilogično (pride do faznega prehoda).
Lahko se zapiše kot:
kjer so $\overrightarrow(S_1)\overrightarrow(S_2)$ spini elektronov, ki interagirajo, $I_(ob)$ je integral izmenjave interakcij. Pri $I_(ob)>0$ je energija interakcije minimalna v primeru vzporednih vrtljajev. Nastane zaradi interakcije magnetnega momenta elektrona ($(\overrightarrow(p))_m$) z magnetnim poljem (indukcija izmenjalnega polja $(\overrightarrow(B))_(ob)$) in je določena po formuli:
Lastni magnetni moment elektrona ($((\overrightarrow(p))_m)^0$) je povezan s spinom $\overrightarrow(S)\ $ z razmerjem:
kjer sta $q_e$, m naboj in masa elektrona. Desno stran izraza (1) delimo in pomnožimo z $\frac(q_e)(m)$, dobimo:
Predpostavimo, da je drugi elektron v magnetnem polju, ki ustvarja prvi elektron, potem bi morali napisati:
Celotno indukcijo magnetnega polja sestavljata indukcija polja brez izmenjavalne interakcije ($\overrightarrow(B)$) in indukcija izmenjalnega polja ($(\overrightarrow(B))_(ob)$). Uporaba znanih razmerij:
kjer je $\overrightarrow(J)$ vektor magnetizacije, $\varkappa $ je magnetna susceptibilnost, $\mu $ je magnetna prepustnost, $(\mu )_0$ je magnetna konstanta, $\overrightarrow(H)$ -- jakost magnetnega polja.
Če obstaja interakcija izmenjave, lahko formulo (10) posplošimo na:
Naj bo vrednost $\lambda $ konstanta interakcije izmenjave, potem lahko predpostavimo, da:
Zamenjajmo (12) v (11), dobimo:
Naredimo zamenjavo:
kjer $(\varkappa )"$ označuje občutljivost ob upoštevanju interakcije izmenjave ($\varkappa =\frac(C)(T)$).
Pri $T > \lambda C$ se snov obnaša kot paramagnet. Magnetna občutljivost se zmanjša z naraščajočo temperaturo. Pri $T=\lambda C$ v skladu z (15) $(\varkappa )"\to \infty .$ To dejstvo pomeni, da najmanjša magnetna polja povzročajo končno magnetizacijo. Ali z drugimi besedami, pri $T=\lambda C $ pride do spontane magnetizacije, to je, da se paramagnet preoblikuje v feromagnet, to je, da se spontana magnetizacija pri $T=\lambda C$ pojavi nenadoma in se poveča z nižanjem temperature.
Curiejeva temperatura. Curie-Weissov zakon
Za vsak feromagnet obstaja temperatura ($T_k$), pri kateri področja spontane magnetizacije razpadejo in snov izgubi svoje feromagnetne lastnosti in postane paramagnetna. Ta temperatura se imenuje Curiejeva točka (ali Curiejeva temperatura). Za različne feromagnete se lahko bistveno razlikuje. Torej za železo $T_(kF_e)=768(\rm()^\circ\!C)$, za nikelj $T_(kN_i)=365(\rm()^\circ\!C)$.
Magnetna občutljivost feromagneta je podrejena Curie-Weissovemu zakonu:
kjer se vrednost $\lambda C=\theta $ imenuje Curie-Weissova temperatura. Teorija kaže, da se fazni prehod ne zgodi pri Curie-Weissovi temperaturi, ampak blizu nje. Včasih ni razlike med Curiejevo temperaturo, pri kateri pride do faznega prehoda, in Curie-Weissovo temperaturo.
Primer 1
Naloga: S pomočjo Langevinove funkcije prikaži področje spontane magnetizacije feromagnetika. Kako sta povezani spontana magnetizacija in temperatura feromagneta?
Iz Langevinove teorije lahko dobimo naslednji dve enačbi za feromagnete:
\ \
kjer je $J_n$ nasičena magnetizacija, $k$ Boltzmannova konstanta, $b$ Weissova konstanta, $x=\frac(p_m(H+bJ))(kT)$, $p_m$ magnetni moment . Prva enačba je priročno predstavljena z Langevinovo krivuljo ($OAA_0$) (slika 1). Enačba (1.2) je premica CA, ki seka navpično os v točki C, katere ordinata v točki C je -$\frac(H)(b).\ $
Če je temperatura feromagneta nižja od njegove Curiejeve temperature ($T \[\frac(kTn)(J_nb) V tem primeru bo ravna črta AC sekala Langevinovo krivuljo v točki A, ordinata te točke je magnetizacija feromagneta ($J_1$) Če zmanjšamo jakost zunanjega magnetnega polja, se bo točka C dvignila v točko O, točka A pa se bo premaknila v točko $A_0.$ Če je H=0, je magnetizacija enaka. na $J_(0.)$ Pri temperaturi pod Curiejevo točko je feromagnet spontano namagneten. Energija toplotnega gibanja molekul ni dovolj za prekinitev spontane magnetizacije.
Predpostavimo, da je naklon premice CA večji od naklona Langevinove krivulje, to je $T>T_k$. V prisotnosti zunanjega magnetnega polja bo ravna črta SA zavzela položaj OD, to pomeni, da bo sekala Langevinovo krivuljo le na začetku koordinat, kjer je magnetizacija enaka nič. Ni spontane magnetizacije; magnetizacija se uniči zaradi toplotnega gibanja.
Primer 2
Naloga: S pomočjo Langevinove funkcije določite Curie-Weissov zakon.
Uporabimo sliko 1 (primer 1). Oglejmo si feromagnet pri temperaturi $T>T_k.\ $Spontane magnetizacije ni. Za magnetizacijo snovi je treba uporabiti zunanje magnetno polje. Izračunajmo magnetizacijo. V tem primeru bo premica AC zavzela položaj CE in sekala Langevinovo krivuljo v točki $A_1$. Ordinata točke $A_1$ bo določala magnetizacijo telesa ($J_2$). Ordinata OS, dobljena empirično, je enaka -$\frac(H)(b)$, je majhna, zato je majhen tudi odsek O$A_1$ Langevinove krivulje. To pomeni, da lahko odsek O$A_1$ štejemo za odsek ravne črte in lahko zapišemo:
\ \
če vnesemo izraz za Curiejevo temperaturo:
\[\varkappa =\frac(T_k)(b(T-T_k))=\frac(C)(T-T_k)\ \levo(2,6\desno),\]
kjer je $С=const.$ Enačba (2.6) je Curie-Weissov zakon.
Morda bi bilo koristno prebrati:
- Združljivost kače in opice;
- Turgenjev, analiza dela mumuja, načrt;
- Okupacija ozemlja ZSSR s strani čet tretjega rajha na fotografijah vojakov Wehrmachta;
- Škatla za torto z rumenimi krizantemami;
- Korejski jajčevci - najbolj okusen recept;
- Zelo močna mantra nežnosti in ljubezni Vrste manter za privabljanje ljubezni.;
- Kaj se dogaja s političnimi pogovornimi oddajami na ruski televiziji?;
- Kako kuhati puranje juho;