Температурою кюрі називають. Магнітні матеріали та точка кюрі
існують сильномагнітні речовини - феромагнетики- речовини, що мають спонтанну намагніченість, тобто вони намагнічені навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля. До феромагнетиків крім основного їх представника - заліза (від нього і йде назва «феромагнетизм») - відносяться, наприклад, кобальт, нікель, гадоліній, їх сплави та сполуки.
Феромагнетики крім здатності сильно намагнічуватися мають ще й інші властивості, що істотно відрізняють їх від діа-і парамагнетиків. Якщо для слабомагнітних речовин залежність Jвід Нлінійна, то для феромагнетиків ця залежність є досить складною. У міру зростання Ннамагніченість Jспочатку росте швидко, потім повільніше і, нарешті, досягається так зване магнітне насиченняJнас, що вже не залежить від напруженості поля. Подібний характер залежності Jвід Нможна пояснити тим, що в міру збільшення поля, що намагнічує, збільшується ступінь орієнтації молекулярних магнітних моментів по полю, проте цей процес почне сповільнюватися, коли залишається все менше і менше неорієнтованих моментів, і, нарешті, коли всі моменти будуть орієнтовані по полю, подальше збільшення Jприпиняється і настає магнітне насичення.
Магнітна індукція B= m 0 (H+J) у слабких полях росте швидко зі зростанням Hвнаслідок збільшення J, а в сильних полях, оскільки другий доданок постійно ( J=Jнас), Узростає зі збільшенням Нза лінійним законом.
Істотна особливість феромагнетиків – не лише великі значення m(наприклад, для заліза – 5000, для сплаву супермалою – 800 000!), але й залежність mвід Н. На початку mзростає зі збільшенням Н,потім, досягаючи максимуму, починає зменшуватися, прагнучи у разі сильних полів до 1 ( m= B/(m 0 H) = 1 + J/H,тому при J = Jнас = constзі зростанням Нставлення J/H® 0 m®1).
Характерна риса феромагнетиків полягає також у тому, що для них залежність Jвід H(а отже, і Увід Н) визначається передісторією намагнічення феромагнетика. Це явище отримало назву магнітної гістерези. Якщо намагнітити феромагнетик до насичення, а потім почати зменшувати напруженість Ннамагнічуючого поля, те, як показує досвід, зменшення J.При Н= 0Jвідрізняється від нуля, тобто у феромагнетиці спостерігається залишкове намагнічення Jос. З наявністю залишкового намагнічення пов'язане існування постійних магнітів.Намагнічення перетворюється на нуль під дією поля Нз , має напрям, протилежне полю, що спричинив намагнічення. Напруженість Нз називається коерцитивною силою.
При подальшому збільшенні протилежного поля феромагнетик перемагнічується , і при Н = -Hнас досягається насичення. Потім феромагнетик можна знову розмагнітити і знову перемагнітити до насичення.
Таким чином, при дії на феромагнетик змінного магнітного поля намагніченість Jзмінюється відповідно до кривої , яка називається петлею гістерезису(Від грец. «Запізнення»). Гістерезис призводить до того, що намагнічення феромагнетика не є однозначною функцією Н,тобто. тому самому значенню Нвідповідає кілька значень J.
Різні феромагнетики дають різні гістерезисні петлі. Феромагнетики з малою (в межах від кількох тисячних до 1-2 А/см) коерцитивною силою Нс(з вузькою петлею гістерезису) називаються м'якими, з великою (від кількох десятків до кількох тисяч ампер на сантиметр) коерцитивною силою (з широкою петлею гістерези) жорсткими. Величини Нс, Jос та m max визначають застосовність феромагнетиків для тих чи інших практичних цілей. Так, жорсткі феромагнетики (наприклад, вуглецеві та вольфрамові сталі) застосовуються для виготовлення постійних магнітів, а м'які (наприклад, м'яке залізо, сплав заліза з нікелем) - для виготовлення сердечників трансформаторів.
Феромагнетики мають ще одну істотну особливість: для кожного феромагнетика є певна температура, звана точкою Кюрі, коли він втрачає свої магнітні властивості. При нагріванні зразка вище точки Кюрі феромагнетик перетворюється на звичайний парамагнетик. Перехід речовини з феромагнітного стану в парамагнітний, що у точці Кюрі, не супроводжується поглинанням чи виділенням теплоти, тобто. у точці Кюрі відбувається фазовий перехід ІІ роду (див. § 75).
Нарешті, процес намагнічення феромагнетиків супроводжується зміною його лінійних розмірів та обсягу. Це явище отримало назву магнітострикції
Природа феромагнетизму
Розглядаючи магнітні властивості феромагнетиків, ми не розкривали фізичної природи цього явища.
Згідно з уявленнями Вейсса, феромагнетики при температурах нижче точки Кюрі мають спонтанну намагніченість незалежно від наявності зовнішнього поля, що намагнічує. Спонтанне намагнічення, однак, перебуває в суперечності з тим, що багато феромагнітних матеріалів навіть при температурах нижче точки Кюрі не намагнічені. Для усунення цієї суперечності Вейсс ввів гіпотезу, згідно з якою феромагнетик нижче точки Кюрі розбивається на велику кількість малих макроскопічних областей. доменів, спонтанно намагнічених до насичення.
За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично і компенсують один одного, тому результуючий магнітний момент феромагнетика дорівнює нулю і феромагнетик не намагнічений. Зовнішнє магнітне поле орієнтує по полю магнітні моменти не окремих атомів, як це має місце у випадку парамагнетиків, а цілих областей спонтанної намагніченості. Тому зі зростанням Ннамагніченість Jта магнітна індукції Увже досить слабких полях ростуть дуже швидко. Цим пояснюється також збільшення mферомагнетиків до максимального значення у слабких полях. Експерименти показали, що залежність Bвід Hне є такою плавною, а має ступінчастий вигляд. Це свідчить про те, що всередині феромагнетика домени повертаються по полю стрибком.
При ослабленні зовнішнього магнітного поля до нуля феромагнетики зберігають залишкове намагнічення, так як тепловий рух не в змозі швидко дезорієнтувати магнітні моменти таких великих утворень, як домени. Тому і спостерігається явище магнітної гістерези. Для того, щоб феромагнетик розмагнітити, необхідно прикласти коерцитивну силу; розмагнічування сприяють також струшування та нагрівання феромагнетика. Крапка Кюрі виявляється тією температурою, вище за яку відбувається руйнування доменної структури.
Існування доменів у феромагнетиках доведено експериментально. Прямим експериментальним методом їх спостереження є метод порошкових фігур. На ретельно відполіровану поверхню феромагнетика наноситься водяна суспензія дрібного феромагнітного порошку (наприклад, магнетиту). Частинки осідають переважно у місцях максимальної неоднорідності магнітного поля, т. е. межах між доменами. Тому порошок, що осів, окреслює межі доменів і подібну картину можна сфотографувати під мікроскопом. Лінійні розміри доменів дорівнювали 10 -4 - 10 -2 см.
В даний час встановлено, що магнітні властивості феромагнетиків визначаються спіновими магнітними моментами електронів(Прямою експериментальною вказівкою цього служить досвід Ейнштейна. Встановлено також, що феромагнітними властивостями можуть мати тільки кристалічні речовини, в атомах яких є недобудовані внутрішні електронні оболонки з нескомпенсованими спинами. У подібних кристалах можуть виникати сили, які змушують спінові магнітні моменти електронів орієнтуватися паралельно один одному,що призводить до виникнення областей спонтанного намагнічення. Ці сили, які називаються обмінними силами, мають квантову природу - вони обумовлені хвильовими властивостями електронів.
Подібна інформація.
Сила магнетизму визначається так званим "магнітним моментом" - дипольним моментом усередині атома, що виходить із кутового моменту та спина електронів. Матеріали мають різні структури своїх магнітних моментів, залежних від температури. Крапка Кюрі - це температура, за якої змінюються власні магнітні моменти матеріалу.
Постійний магнетизм обумовлений вирівнюванням магнітних моментів і індукований магнетизм створюється, коли невпорядковані магнітні моменти змушені вирівнюватися в прикладеному магнітному полі. Наприклад, упорядковані магнітні моменти (феромагнітні) змінюються і стають невпорядкованими (парамагнітними) за температури Кюрі. Вищі температури роблять магніти слабшими, оскільки спонтанний магнетизм відбувається лише нижче температури Кюрі - це одна з головних особливостей подібних спонтанних явищ. Магнітна сприйнятливість вище за температуру Кюрі може бути розрахована за законом Кюрі-Вейсса, який отриманий із закону Кюрі.
Використання та формули
За аналогією з феромагнітними та парамагнітними матеріалами температуру Кюрі можна також використовувати для опису між сегнетоелектрикою та параелектрикою. У цьому контексті параметр порядку є електричною поляризацією, яка переходить від кінцевого значення до нуля, коли температура підвищується вище температури Кюрі.
Магнітні моменти є постійними дипольними моментами всередині атома, які містять електронний момент за співвідношенням μl = el/2me, де me - маса електрона, μl - магнітний момент, l ì - момент кількості руху, без якого важко вирахувати температуру Кюрі; це ставлення називається гіромагнітним.
Електрони в атомі вносять магнітні моменти зі свого кутового моменту та з їхнього орбітального моменту навколо ядра. Магнітні моменти від ядра незначні на відміну магнітних моментів від електронів. Теплові вклади призводять до появи вищих енергій електронів, що порушують порядок і руйнування вирівнювання між диполями.
Особливості
Феррімагнітні та антиферомагнітні матеріали мають різні структури магнітного моменту. За певної температури Кюрі матеріалу ці властивості змінюються. Перехід від антиферомагнітного до парамагнітного (або навпаки) відбувається за температури Нееля, яка аналогічна температурі Кюрі - це, по суті, головна умова такого переходу.
Феромагнітна, парамагнітна, феримагнітна та антиферомагнітна структури складаються з власних магнітних моментів. Якщо всі електрони всередині структури спарені, ці моменти компенсуються через їх протилежні спини та кутові моменти. Таким чином, навіть при застосуванні магнітного поля ці матеріали мають різні властивості і не мають температури Кюрі – для заліза, наприклад, використовується зовсім інша температура.
Матеріал парамагнітний тільки вище за його температуру Кюрі. Парамагнітні матеріали немагнітні, коли магнітне поле відсутнє і магнітно при застосуванні магнітного поля. Коли магнітне поле відсутнє, матеріал має невпорядковані магнітні моменти; тобто атоми асиметричні та не вирівняні. Коли є магнітне поле, магнітні моменти тимчасово перебудовуються паралельно доданому полю, атоми симетричні і вирівняні. Магнітні моменти, вирівняні одному напрямку, є причиною індукованого магнітного поля.
Для парамагнетизму ця реакція на прикладене магнітне поле є позитивною і відома як магнітна сприйнятливість. Магнітна сприйнятливість застосовується лише вище за температуру Кюрі для невпорядкованих станів.
За межами точки Кюрі
Вище температури Кюрі збуджуються атоми, і орієнтації спинів стають рандомізованими, але може бути перебудовані прикладеним полем, тобто. матеріал стає парамагнітним. Все, що нижче температури Кюрі, - це простір, внутрішня структура якого вже зазнала фазового переходу, атоми впорядковані і сам матеріал став феромагнітним. Магнітні поля, індуковані парамагнітними матеріалами, дуже слабкі проти магнітними полями феромагнітних матеріалів.
Матеріали тільки феромагнітні нижче за їх відповідні температури Кюрі. Феромагнітні матеріали є магнітними без прикладеного магнітного поля.
Коли магнітне поле відсутнє, матеріал має спонтанну намагніченість, що є наслідком упорядкованих магнітних моментів. Т. е. для феромагнетизму атоми симетричні і вирівняні в одному напрямку, створюючи постійне магнітне поле.
Температура кюрі для феромагнетиків
Магнітні взаємодії утримуються разом обмінними взаємодіями; інакше тепловий безлад подолав би магнітних моментів. Обмінна взаємодія має нульову ймовірність паралельних електронів, що займають ту саму точку в часі, що передбачає краще паралельне вирівнювання в матеріалі. Фактор Больцмана робить значний внесок, оскільки він вважає за краще, щоб взаємодіючі частки були вирівняні в одному напрямку. Це призводить до того, що феромагнетики мають сильні магнітні поля та високі визначення температури Кюрі близько 1000 К.
Феррімагнітні матеріали є магнітними без прикладеного магнітного поля і складаються з двох різних іонів.
Спонтанний магнетизм
Коли магнітне поле відсутнє, матеріал має спонтанний магнетизм, що є наслідком упорядкованих магнітних моментів; тобто. для ферримагнетизму магнітні моменти одного й того ж іонного моменту вирівняні в одному напрямку з певною величиною, а магнітні моменти іншого іона спрямовані у протилежному напрямку з іншою величиною. Оскільки магнітні моменти мають різні величини у протилежних напрямках, існує спонтанний магнетизм і є магнітне поле.
Що відбувається нижче точки Кюрі?
Як стверджує сучасна сегнетоелектрика, температура Кюрі має свої обмеження. Подібно до феромагнітних матеріалів магнітні взаємодії утримуються разом обмінними взаємодіями. Однак орієнтації моментів є антипаралельними, що призводить до чистого імпульсу, віднімаючи їх імпульс один від одного.
Нижче за температуру Кюрі атоми кожного іона вирівняні паралельно з різними імпульсами, що викликають спонтанний магнетизм; матеріал є феримагнітним. Над температурою Кюрі матеріал парамагнітний, оскільки атоми втрачають свої впорядковані магнітні моменти, коли матеріал піддається фазовому переходу.
Температура Нееля та магнетизм
Матеріал має рівні магнітні моменти, вирівняні в протилежних напрямках, що призводить до нуля магнітного моменту та нульового магнетизму при всіх температурах нижче за температуру Нееля. Антиферомагнітні матеріали слабо намагнічені без магнітного поля.
Подібно до феромагнітних матеріалів магнітні взаємодії утримуються разом обмінними взаємодіями, що запобігають тепловому безладу від подолання слабких взаємодій магнітних моментів. Коли відбувається безлад, він знаходиться при температурі Нееля.
Феромагнітні властивості речовини виявляються лише за температур нижче точки Кюрі.
Переважна більшість атомів має власне магнітне поле. Практично будь-який атом можна подати у вигляді крихітного магнітика з північним і південним полюсами. Цей магнітний ефект пояснюється тим, що електрони при русі по орбітах навколо атомного ядра створюють мікроскопічні електричні струми, які породжують магнітні поля ( див.Відкриття Ерстеда). Склавши магнітні поля, які індукуються всіма електронами атома, ми отримаємо сумарне магнітне поле атома.
У більшості речовин магнітні поля атомів орієнтовані хаотично, у результаті вони взаємно гасяться. Однак у деяких речовинах і матеріалах (насамперед у сплавах, що містять залізо, нікель або кобальт) атоми впорядковуються так, що їх магнітні поля спрямовані в один бік і підсилюють один одного. В результаті шматочок такої речовини виявляється оточений магнітним полем. З таких речовин, званих феромагнетикамиоскільки зазвичай вони містять залізо, і отримують постійні магніти.
Щоб зрозуміти, як утворюються феромагнетики, уявімо собі шматок розпеченого заліза. Через високу температуру атоми в ньому рухаються дуже швидко і хаотично, не залишаючи можливості для впорядкування атомних магнітних полів в одному напрямку. Однак у міру зниження температури тепловий рух слабшає і починають переважати інші ефекти. У залозі (і деяких інших металах) на атомному рівні діє сила, яка прагне поєднати магнітні диполі сусідніх атомів один з одним.
Ця сила міжатомної взаємодії, що отримала назву обмінної сили, була вперше описана Вернером Гейзенбергом ( див.принцип невизначеності Гейзенберга). Вона зумовлена тим, що два сусідні атоми можуть обмінюватися зовнішніми електронами, і ці електрони починають належати одночасно обом атомам. Обмінна сила міцно зв'язує атоми в кристалічній решітці металу і робить їх магнітні поля паралельними та спрямованими в один бік. Через війну впорядковані магнітні поля сусідніх атомів взаємно посилюються, а чи не гасяться. І такий ефект може спостерігатися в об'ємі речовини близько 1 мм 3 в якому міститься до 10 16 атомів. Атоми такого магнітного домену (див.нижче) збудовані таким чином, що ми маємо чисте магнітне поле.
При високих температурах дії цієї сили заважає тепловий рух атомів, при низьких температурах атомні магнітні поля можуть посилювати один одного. Температура, коли відбувається цей перехід, називається точкою Кюріметалу — на честь французького фізика П'єра Кюрі, що відкрив її.
Насправді структура феромагнетиків набагато складніша, ніж описано вище. Зазвичай окремі домени включають лише кілька тисяч атомів, магнітні поля яких односпрямовані, проте поля різних доменів спрямовані безладно і за сукупністю матеріал не намагнічений. Тому звичайний шматок заліза магнітних властивостей не виявляє. Однак за певних умов упорядковуються і магнітні поля доменів, з яких складається феромагнетик (наприклад, при охолодженні розжареного заліза в сильному магнітному полі). І тоді ми отримуємо постійний магніт. Наявність точки Кюрі також пояснює, чому при сильному нагріванні постійного магніту в якийсь момент відбувається його повне розмагнічування.
Marie Sklodowska Curie, 1867-1934
Польський, згодом французький хімік. Народилася у Варшаві в інтелігентській сім'ї у лихоліття російської окупації, що випала на частку Польщі. Навчаючись у школі, допомагала матері утримувати пансіон, прислужуючи в ньому як покоївку. Після закінчення школи якийсь час працювала гувернанткою у заможних сім'ях, щоб заробити кошти на здобуття медичної освіти для своєї сестри. На цей період припадає засмучена батьками нареченого заручини Склодовської з юнаком із сім'ї, де вона прислужувала (батьки вважали такий шлюб їхнього сина негідним їхнього соціального становища та упустили блискучу можливість покращити свій фамільний генофонд). Після здобуття її сестрою медичної освіти в Парижі туди ж оговталася вчитися і сама Склодовська.
Блискучі результати вступних іспитів з фізики та математики привернули до молодої полячки пильну увагу провідних французьких учених. Результатом стали її заручини у 1894 році з П'єром Кюрі та шлюб з ним, укладений наступного року. У роки дослідження явища радіоактивності лише починалися, і роботи у цій галузі був непочатий край. П'єр і Марія Кюрі зайнялися вилученням радіоактивних зразків із руд, що видобуваються в Богемії, та їх дослідженням. В результаті подружжю вдалося відкрити відразу кілька нових радіоактивних елементів ( див.Радіоактивний розпад), один з яких був названий кюрієм на їхню честь, а ще один – полонієм на честь батьківщини Марії. За ці дослідження подружжя Кюрі було спільно з Анрі Беккерелем (Henri Becquerel, 1852-1908), який відкрив рентгенівські промені, удостоєні Нобелівської премії з фізики за 1903 рік. Саме Марія Кюрі першою ввела у вжиток термін «радіоактивність» — за назвою першого відкритого Кюрі радіоактивного елемента радію.
Після трагічної загибелі П'єра в 1906 Марія Кюрі відмовилася від запропонованої Сорбонським університетом пенсії і продовжила дослідження. Їй вдалося довести, що в результаті радіоактивного розпаду відбувається трансмутація хімічних елементів, і тим самим започаткувати нову галузь природничих наук — радіохімію. За цю роботу Марія Кюрі була удостоєна Нобелівської премії з хімії за 1911 рік і стала першим вченим — двічі лауреатом найпрестижнішої премії за досягнення у природничих науках. (Того ж року Паризька Академія наук відхилила її кандидатуру і не прийняла Марію Кюрі до своїх лав. Мабуть, двох Нобелівських премій панам академікам видалося недостатньо для подолання своєї схильності до дискримінації за національною та гендерною ознакою.)
У роки Першої світової війни Марія Кюрі займалася активними прикладними медичними дослідженнями, працюючи на фронті з портативною рентгенівською установкою. У 1921 році в Америці була відкрита підписка на збір коштів на покупку для Марії Кюрі 1 грама чистого радію, який був необхідний їй для подальших досліджень. У ході її тріумфальної поїздки Америкою з публічними лекціями ключик від скриньки з дорогоцінним радіоактивним металом був вручений Кюрі самим Президентом США Уорреном Хардінгом (Warren Harding).
Останні роки життя Марії Кюрі були заповнені важливими міжнародними ініціативами у галузі науки та медицини. На початку 1930-х років здоров'я Марії Кюрі різко погіршилося - далися взнаки величезні дози радіоактивного опромінення, отримані нею в процесі багаторічних експериментів, - і в 1934 році вона померла в санаторії у Французьких Альпах.
Pierre Curie, 1859-1906
Французький фізик. Народився Парижі в сім'ї видного лікаря. Здобув домашню освіту. Спочатку вивчав фармакологію в Сорбонні, проте дуже швидко захопився природничо експериментами з кристалами, які проводив його брат Жак, і згодом став директором Школи фізики та хімії (École de Physique et Chimie). У 1895 році одружився з Марією Склодовською і в тому ж році захистив докторську дисертацію з магнітних властивостей парамагнетиків ( див.Закон Кюрі). Разом із дружиною у найважчих робочих умовах проводив у Школі досліди щодо вивчення властивостей радіоактивних речовин. У 1904 році отримав призначення на посаду професора фізики та директора лабораторії (незабаром перетвореної в Інститут радію) Сорбонни. У квітні 1906 року П'єр Кюрі загинув внаслідок безглуздого нещасного випадку, потрапивши під колеса візника. Він навіть не встиг завершити обладнання своєї нової лабораторії.
13. Сегнетоелектрики. Температура Кюрі.
активними(керованими)діелектрикаминазивають матеріали,властивостями яких можна управляти в широких межах за допомогоющью зовнішнього енергетичного впливу:напруженості електричного чи магнітного поля, механічного напруги, температури, світлового потоку та інших. У цьому їхнє важливе на відміну звичайних (пасивних) діелектриків.
p align="justify"> З активних діелектриків виготовляють активні елементи електронних приладів. Особливістю властивостей цих матеріалів є такі явища, як сегнетоелектрика, електретний, п'єзоелектричний та електрооптичний ефекти, інжекційні струми та ін, що стали основою розробки діелектричних приладів. Нижче розглядаються особливості будови та властивостей деяких активних діелектриків, що знайшли найширше застосування.
7.15.1. Сегнетоелектрики
Сегнетоелектрики на відміну від звичайних (пасивних) діелектриків мають регульовані електричні характеристики. Так наприклад, діелектричну проникність сегнетоелектриківза допомогою електричної напруги можна змінювати в широкихмежах. Характерна особливість сегнетоелектриків полягає в тому, що у них поряд з електронною, іонною та релаксаційними видами поляризації, що викликаються зовнішнім електричним полем спостерігається мимовільна (спонтанна) поляризація, під дією якої ці діелектрики набувають доменної структури та характерних сегнетоелектричних властивостей.
Мимовільна поляризація проявляється у відсутності електричного поля в певному інтервалі температур нижче точкиКюріТквнаслідок зміни будови елементарного осередку кристалевих ґрат та утворення доменної структури,що, у свою чергу, викликає у сегнетоелектриків:
надзвичайно високу діелектричну проникність (до десятків тисяч);
нелінійну залежність поляризованості, а отже, і діелектричної проникності від напруженості прикладеного електричного поля;
різко виражену залежність діелектричної проникності від температури;
наявність діелектричного гістерези.
Зазначені вище властивості були детально вивчені І.В.Курчатовим та П.П.Кобеком у сегнетової солі (натрієво-калієва сіль винної кислоти NaKC4H4O6 4Н2О), тому речовини, що мають аналогічні властивості, називають сегнетоелектриками. Найважливіший для практичного застосування сегнетоелектрик – титанат барію – відкрив у 1944 р. Б.М. Бул. Ряд сегнетоелектриків було відкрито Г.А. Смоленським та ін.
В даний час відомо близько 500 матеріалів, що мають сегнетоелектричні властивості. Залежно від структури елементарного осередку та механізму спонтанної поляризації розрізняють сегнетоелектрики іонні та дипольні, інакше - сегнетоелектрики типу зміщення та упорядкування, відповідно.
Іонні сегнетоелектрикимають структуру елементарного осередку типу перовскіту(Мінерал СаТiO 3). До них відносяться:
титанат барію ВаТіО 3 (Тк = 120 ° С),
титанат свинцю РbТiO 3 (Тк = 493 ° С),
титанат кадмію CdTiО 3 (Тк = 223 ° С),
метаніобат свинцю PbNb 2 O 6 (Tk = 575 ° С),
ніобат калію KNbO 3 (Tk = 435 ° С),
іодат калію KNbO 3 (Тк = 210 ° С) та ін.
Всі хімічні сполуки цієї групи нерозчинні у воді, мають значну механічну міцність, вироби з них отримують за керамічною технологією. Вони є в основному кристали з переважно іонноюзв'язком.Для цієї групи сегнетоелектриків спонтанна поляризація схематично показана на рис. 7.1 на прикладі елементарного осередку ВаТiO 3 . Елементарний осередок титанату барію за високих температур має форму куба (а = 4,01 10 -10 м); у вузлах куба розташовані іони барію, в середині граней - іони кисню, утворюючи кисневий октаедр, у центрі якого розміщений іон титану (див. рис. 7.1, а, а). , Тому електричний момент осередку через її симетричності дорівнює нулю і діелектрик знаходиться в параелектричному стані (термін аналогічний терміну «парамагнетик»). іон титанузавдяки ослабленню енергії теплового руху, виявляється переважно поблизу одного з іонів кисню, зміщуючись на 1 10 -11 м. У цьому напрямі зміщуються і іони барію (на 5 10 -12 м).
Іон кисню, що знаходиться навпроти Про 2-, до якого змістився Ti 4+, зрушується в протилежному напрямку (на 410 -12 м). Внаслідок цих зсувів іонів кубічна грати незначникале деформується в тетрагональну(З параметрами елементарного осередку а= 3,99 A , з= 4,036 A), а кисневий октаедр нескільки спотворюється(див. рис. 7.1, б, б"). Хоча всі ці усунення іоновий, у тому числі і іона титану, порівняно малі, проте вони дуже важливі і призводять до утворення значногоелектричного дипольного моменту Po –
Мал. 7.1. Елементарний осередок (а, а") титанату барію та її проекція (б б") при температурах вище (а, а") і нижче точки Кюрі (б, б")
Виникаєспонтанна поляризаціяівідбувається фазовий перехід діелектрика з параелектричного состояння в сегнетоелектричне.
Таким чином, мимовільна поляризація іонних сегнетоелектриків виникає у відсутності електричного поля в опредіном інтервалі температур в результаті зміщення іона Ti 4+ в об'єм еме елементарного осередку з центрального положення та деформації останньої.
Дипольними сегнетоелектрикамиє
сегнетова сіль NaKC4H4O6 4Н2О (Тк = 24 ° С),
тригліцинсульфат (NH2CH2COOH)3 H2SO4 (Tk = 49°С),
гуанідиналюмінійсульфатгексагідрат C(NH3)2A1(SO4)2 6Н2О (Тк > 200°С),
нітрит натрію NaNO2 (Тк = 163°С),
дигідрофосфат калію КН2Р04(Тк = -151 С) та ін.
Хімічні сполуки цієїгрупи мають низьку механічну міцність і розчиняються у воді, завдяки чому з водних розчинів цих сполук можна вирощувати великі монокристали. Атоми у цих сполуках несуть у собі заряд, але пов'язані між собою переважно кова-стрічковим зв'язком.
Дипольні сегнетоелектрики в елементарному осередку містять атом (іон) або групу атомів (іонів), що мають два положення рівноваги, у кожному з яких утворюється електричний дипольний момент Ро. При температурах вище точки Кюрі внаслідок хаотичного теплового руху ці два положення рівноваги рівноймовірні, тому спонтанна поляризація відсутня, і діелектрик
ПриТ<Тк одне з положень стає кращим і в елементарному осередку виникаєдипольний момент; відбувається спонтанна поляризація, і діелектрик переходить з параелектричного стану
сегнетоелектрическое (здійснюється фазовий перехід).
Можна записати як:
де $\overrightarrow(S_1)\overrightarrow(S_2)$ -- спини, електронів, які взаємодіють, $I_(ob)$ -- інтеграл обмінної взаємодії. При $I_(ob)>0$ енергія взаємодії мінімальна у разі паралельних спинів. Вона викликана взаємодією магнітного моменту електрона ($(\overrightarrow(p))_m$) з магнітним полем (індукція обмінного поля $(\overrightarrow(B))_(ob)$) і визначається формулою:
Власний магнітний момент електрона ($((\overrightarrow(p))_m)^0$) пов'язаний зі спином $\overrightarrow(S)\ $ співвідношенням:
де $q_e$, m - заряд та маса електрона. Розділимо та помножимо праву частину вираз (1) на $\frac(q_e)(m)$, отримаємо:
Припустимо, що другий електрон знаходиться в магнітному полі, яке створює перший електрон, тоді слід записати:
Сумарна індукція магнітного поля складається з індукції поля без обмінної взаємодії ($\overrightarrow(B)$) та індукції обмінного поля ($(\overrightarrow(B))_(ob)$). Використовуючи відомі співвідношення:
де $\overrightarrow(J)$ -- вектор намагніченості, $\varkappa $ -- магнітна сприйнятливість, $\mu $ -- магнітна проникність, $(\mu )_0$ -- магнітна постійна, $\overrightarrow(H)$ - Напруженість магнітного поля.
Якщо є обмінна взаємодія, то формулу (10) можна узагальнити до:
Нехай величина $ \ lambda $ - Постійна обмінної взаємодії, тоді можна вважати, що:
Підставимо (12) в (11), отримаємо:
Зробимо заміну:
де $(\varkappa)"$ характеризує сприйнятливість з урахуванням обмінної взаємодії ($varkappa = frac(C)(T)$).
При $T > \lambda C$ речовина поводиться як парамагнетик . Магнітна сприйнятливість зменшується зі збільшенням температури. При $T=\lambda C$ відповідно до (15) $(\varkappa )"\to \infty .$ Цей факт означає, що найменші магнітні поля викликають кінцеву намагніченість. Або інакше, при $T=\lambda C$ з'являється спонтанна намагніченість, тобто парамагнетик перетворюється на феромагнетик.
Температура Кюрі. Закон Кюрі - Вейсса
Для будь-якого феромагнетика існує температура ($T_k$) при якій області спонтанної намагніченості розпадаються і речовина втрачає феромагнітні властивості і стає парамагнетиком. Така температура називається точкою Кюрі (або температурою Кюрі). Вона для різних феромагнетиків може суттєво відрізнятися. Так заліза $T_(kF_e)=768(rm()^\circ\!C)$, для нікелю $T_(kN_i)=365(rm()^\circ\!C)$.
Магнітна сприйнятливість феромагнетика підпорядковується закону Кюрі - Вейсса:
де величина $ lambda C = theta $ називається температурою Кюрі - Вейсса. Теорія показує, що фазовий перехід здійснюється не за температури Кюрі - Вейсса, а близької до неї. Іноді не роблять відмінностей між температурою Кюрі, коли відбувається фазовий перехід і температурою Кюрі --Вейсса.
Приклад 1
Завдання: Використовуючи функцію Ланжевена, покажіть область спонтанної намагніченості феромагнетика. Як пов'язана спонтанна намагніченість та температура феромагнетика?
З теорії Ланжевена можна отримати для феромагнетиків два наступні рівняння:
\ \
де $J_n$ -- намагнічування насичення, $k$ -- постійна Больцмана, $b$ -- постійна Вейсса, $x=\frac(p_m(H+bJ))(kT)$, $p_m$ -- магнітний момент . Перше рівняння зручно уявити кривою Ланжевена ($ OAA_0 $) (рис.1). Рівняння (1.2) - пряма СА, яка перетинає вертикальну вісь у точці C, ордината якої у точці C дорівнює -$\frac(H)(b).
Якщо температура феромагнетика менша за температуру Кюрі для нього ($T \[\frac(kTn)(J_nb) У такому разі пряма AC перетне криву Ланжевена в точці А, ордината цієї точки є намагніченість феромагнетика ($J_1$). Якщо зменшувати напруженість зовнішнього магнітного поля, то точка C буде підніматися до точки О, а точка А переміщатися до точки $A_0. недостатньо, щоб порушити спонтанне намагнічування.
Припустимо, що нахил прямої СА більший за нахил кривої Ланжевена, тобто $T>T_k$. За наявності зовнішнього магнітного поля пряма СА займе положення ОD, тобто перетне криву Ланжевена тільки на початку координат, де намагнічування дорівнює нулю. Спонтанне намагнічування відсутнє, намагнічування руйнується тепловим рухом.
Приклад 2
Завдання: Використовуючи функцію Ланжевена, отримайте закон Кюрі - Вейсса.
Використовуємо рис.1 (Приклад 1). Розглянемо феромагнетик при температурі $T>T_k.\Спонтанне намагнічування відсутнє. Для того, щоб намагнітити речовину, необхідно додати зовнішнє магнітне поле. Розрахуємо намагнічування. Пряма АС при цьому займе положення РЄ і перетинатиме криву Ланжевена в точці $A_1$. Ордината точки $A_1$ визначатиме намагніченість тіла ($J_2$). Ордината ОС, отримана емпірично дорівнює -$\frac(H)(b)$, вона мала, отже ділянку О$A_1$ кривої Ланжевена, так само малий. Значить, ділянку О$A_1$ можна вважати відрізком прямою, і написати:
\ \
якщо ввести для температури Кюрі вираз:
\[\varkappa =\frac(T_k)(b(Т-T_k))=\frac(С)(Т-T_k)\ \left(2.6\right),\]
де $С=const.$ Рівняння (2.6) - закон Кюрі - Вейсса.
Можливо, буде корисно почитати:
- Сумісність Риб і Риб: безкорислива любов чи нестабільні відносини Сумісність по гороскопу риби немов;
- Як повернути коханого чоловіка без спілкування - перевірені змови сильних відунів Як повернути людину до себе;
- Сколеціфобія та боротьба з нею;
- Експерти висловилися за продовження роботи МКС;
- Будова та життєдіяльність інфузорій на прикладі інфузорії-туфельки;
- Архієпископ Іонафан (Єлецьких): Біля витоків народження Української Православної Церкви;
- Влада курганської області не платить регіональний маткапітал Губернатор Осипов виконує федеральні установки на прозорість виборів;
- Салат з пекінською капустою та крабовими паличками Салат пекінської капустою кукурудзою крабовими;