Curie punkt

Eri materjalide Curie temperatuure^[1]^[2]^[3]
Materjal	Curie temperatuur (K)
Raud (Fe)	1043
Koobalt (Co)	1400
Nikkel (Ni)	627
Gadoliinium (Gd)	292
Düsproosium (Dy)	88
Mangaanvismutiid (MnBi)	630
Mangaanantimoniid (MnSb)	587
Kroom(IV)oksiid (CrO₂)	386
Mangaanarseniid (MnAs)	318
Euroopiumoksiid (EuO)	69
Raud(III)oksiid (Fe₂O₃)	948
Raud(II,III)oksiid (FeOFe₂O₃)	858
NiO–Fe₂O₃	858
CuO–Fe₂O₃	728
MgO–Fe₂O₃	713
MnO–Fe₂O₃	573

Curie punkt ehk Curie temperatuur on füüsikas ja materjaliteaduses temperatuur, millest kõrgemal kaotab püsimagnet oma magnetilised omadused. Curie temperatuur on nimetuse saanud Pierre Curie järgi, kes näitas esimesena, et magnetism kaob teatud temperatuuril.^[4]

Magnetvälja jõud on määratud magnetmomendi poolt. Eri materjalidel on erinev sisemiste magnetmomentide süsteem. Curie temperatuur on punkt, kus materjalisisesed magnetmomendid kaotavad summaarse eelisorienteerituse.

Eri tüüpi materjalide käitumine Curie punktist madalamal ja kõrgemal temperatuuril

Materjali käitumist Curie temperatuurist $T_{c}$ kõrgemal temperatuuril iseloomustab magnetiline vastuvõtlikkus, mis on leitav Curie-Weissi seaduse kaudu. See seadus kirjeldab ferromagnetilise materjali magnetilise vastuvõtlikkuse $\chi _{m}$ sõltuvust temperatuurist $T$ , mis on kõrgem Curie temperatuurist $T_{c}$ :

\chi _{m}={\frac {C}{T-T_{c}}},\

kus $C$ on Curie konstant. Curie temperatuuril muutuvad ferromagneetikud (näiteks raud, koobalt, nikkel) paramagneetikuteks.

Püsimagnetism on põhjustatud ühtselt orienteeritud magnetmomentide poolt. Ferro- ja paramagnetismi puhul orienteeruvad materjalisisesed magnetmomendid välise magnetvälja mõjul. Curie temperatuuril muutuvad ühte suunda orienteeritud magnetmomendid ebakorrapäraselt orienteerituks.

Magnetmomentide joondumine eri tüüpi materjalides
Ferromagneetikus on magnetmomendid korrastatud, võrdse suurusega ja ühesuunaliselt joondunud välise magnetvälja mõjuta
Paramagneetikus on magnetmomendid välise magnetvälja puudumisel jaotunud kaootiliselt, kuid joonduvad välise magnetvälja mõjul
Ferrimagneetikus on magnetmomendid välise magnetvälja puudumisel joondunud vastassuunaliselt, kuid kuna need koosnevad kahest eri ioonist, on nad suuruselt erinevad
Antiferromagneetikutes on magnetmomendid välise magnetvälja puudumisel joondunud võrdväärselt, kuid vastassuunaliselt, mille tulemusena need kompenseerivad üksteist

Ferromagnetilised, paramagnetilised, ferrimagnetilised ja antiferromagnetilised struktuurid koosnevad sisemistest magnetmomentidest. Kui kõik elektronid struktuuris on paardunud, nullivad need momendid ennast vastupidiste spinnide tõttu. Seega ei magneetu need materjalid ka välise magnetvälja mõjul ning neil ei esine ka Curie temperatuuri.^[5]^[6]

Paramagnetilised materjalid

Paramagnetilised materjalid ei ole tavaliselt magneetunud, kuid teevad seda välise magnetvälja mõjul. Väliste jõudude puudumisel paiknevad magnetmomendid suvaliselt ning pole joondunud. Magnetvälja ilmudes magnetmomendid aga joonduvad ajutiselt paralleelselt mõjuva jõuga. Ühte suunda joondunud magnetmomendid tekitavadki magnetvälja.^[7]^[8] Paramagnetismi puhul on materjali reaktsioon välisele magnetväljale positiivne ning materjal on seega magnetiliselt vastuvõtlik.^[5] Paramagnetite indutseeritud magnetväljad on aga väga nõrgad võrreldes ferromagnetite omadega.^[9]

Ferromagnetiline materjal muutub paramagnetiliseks Curie temperatuurist kõrgemal.

Ferromagnetilised materjalid

Materjalid on ferromagnetilised vaid allpool Curie temperatuuri ning on magneetunud ka ilma välise magnetvälja mõjuta. Allpool Curie temperatuuri on aatomid joondunud ja paralleelsed, sellest kõrgemal aga muutub materjal paramagnetiliseks, kuna aatomites kaob magnetmomentide korrastatus materjali faasiülemineku käigus.^[9]

Ferrimagnetilised materjalid

Ferrimagnetilised materjalid on magneetunud ka ilma välise magnetväljata, kuid need koosnevad kahest eri ioonvõrest.^[2] Ferrimagnetite puhul on ühe iooni magnetmomendid joondunud ühte suunda ning teisel teise. Nende vastassuunaliste magnetmomentide väärtused pole aga võrdväärsed ning seega esineb siiski spontaanne magnetism ja magnetväli.^[2] Curie punktist kõrgemal temperatuuril muutuvad ferrimagneetikud paramagneetikuteks, kuna aatomid kaotavad faasiüleminekute tulemusena enda joondunud magnetmomendid.

Antiferromagnetilised materjalid

Materjalid on antiferromagneetikud vaid allpool Néeli temperatuuri. Sarnaselt Curie temperatuuriga muutuvad ained Néeli temperatuuri ületades magnetmomentide orientatsiooni muutuste tagajärjel paramagnetilisteks. Allpool seda on aga materjali magnetmomendid joondunud vastassuundadesse, mille tulemusena on nende summaarne magnetmoment null. Antiferromagneetikud reageerivad väliselt rakendatavale magnetväljale sarnaselt paramagneetikutega. Saavutatava magnetilise vastuvõtlikkuse väärtus on väike ja positiivne. Néeli temperatuuri väärtus on enamasti toatemperatuurist palju madalamal (ning 1 ja 2 antiferromagnetismi artiklist).^[2]

Materjali Curie temperatuuri muutmine

Komposiitmaterjalid

Komposiitmaterjalide (ehk kahest või enamast eri omadustega materjalist koosnev materjal) puhul võib muutuda ka materjali Curie temperatuur. Sõltuvalt materjalide magnetmomentide orientatsioonist võib see tõusta või langeda. Kui materjalide magnetmomendid on samasuunalised, siis Curie punkt tõuseb, kui aga vastassuunalised, siis langeb.^[10] Ka materjalide dopeerimisel võib nende Curie punkt muutuda.^[11]

Osakeste suurus

Osakeste suurus materjali kristallvõres muudab Curie temperatuuri. Osakeste väikeste mõõtmete tõttu muutuvad elektronspinnide kõikumised olulisemaks. Taoliste kõikumiste tõttu võib trastiliselt muutuda ka Curie punkti väärtus. Osakeste suurusest sõltub ka magnetmomentide orientatsiooni stabiilsus.^[12]^[13] Nanoosakeste puhul sõltub Curie temperatuur ka kristallvõrest. Mida tihedamalt on osakesed võres pakitud, seda lähemal on üksteisele magnetmomendid ning seeläbi tõuseb ka Curie punkt.^[12]

Rõhk

Rõhk muudab materjali Curie temperatuuri. Tõstes rõhku väheneb süsteemi kristallvõre ruumala. Rõhk avaldab otsest mõju osakeste kineetilisele energiale võrevõnkumistes. Osakeste häiritud liikumine põhjustab vibratsioone, mis häirivad magnetmomentide orienteeritust. Seeläbi sarnaneb rõhu tõstmine temperatuuri tõstmisega, mille tagajärjel samuti kasvab osakeste kineetiline energia, mis häirib magnetmomentide orienteeritust.^[14]

Rakendused

Termiliselt esile kutsutud ferromagneetiku-paramagneetiku üleminekut kasutatakse näiteks magnetoptiliste salvestusmäludes andmete kustutamiseks.

Curie punkti kasutatakse näiteks ka jootekolbide temperatuuri reguleerimisel – seni kuni kolvi ots on magneetunud, on sisse lülitatud ka kütteelemendi lüliti, Curie temperatuuri ületamisel aga kontaktid avanevad.^[15]

Vaata ka

Viited

↑ Buschow, K. H. J. ;Encyclopedia of Materials: Science and Technology; Elsevier 2001 | isbn = 0-08-043152-6 |
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 Jullien, André; Guinier, Rémi; The Solid State from Superconductors to Superalloys; Oxford Univ. Press 1989 | isbn=0198555547 |
↑ Kittel, Charles; Introduction to Solid State Physics (6. trükk); John Wiley & Sons 1986 | isbn = 0-471-87474-4 |
↑ https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1903/pierre-curie-bio.html;"Pierre Curie – Biography";Nobel Media AB; vaadatud 27 jaanuar 2019
↑ ^5,0 ^5,1 Ibach, Harald; Lüth, Hans; Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science; Springer 2009, Berlin|isbn=9783540938033|edition=4th
↑ Levy, Robert A.; Principles of Solid State Physics; Academic Press 1968|isbn=978-0124457508|
↑ Fan, H. Y.;Elements of Solid State Physics; Wiley-Interscience 1987|isbn=9780471859871|
↑ Dekker, Adrianus J.; Solid State Physics; Macmillan 1958|isbn= 9780333106235|
↑ ^9,0 ^9,1 Cusack N.;The Electrical and Magnetic Properties of Solids; Longmans, Green 1958
↑ Hwang, Hae Jin; Nagai, Toru; Ohji,Tatsuki;Sando, Mutsuo; Toriyama, Motohiro; Niihara, Koichi; Curie temperature Anomaly in Lead Zirconate Titanate/Silver Composites; Journal of the American Ceramic Society, March 1998, volume 81, issue 3, pages709–12|doi=10.1111/j.1151-2916.1998.tb02394.x|
↑ Paulsen, J. A.; Lo, C. C. H.; Snyder, J. E.; Ring, A. P.; Jones, L. L.; Jiles, D. C.; Study of the Curie temperature of cobalt ferrite based composites for stress sensor applications; IEEE Transactions on Magnetics, volume 39, issue 5, pages 3316–18|doi=10.1109/TMAG.2003.816761|issn=0018-9464|bibcode=2003ITM....39.3316P
↑ ^12,0 ^12,1 Bertoldi, Dalía S.; Bringa, Eduardo M.; Miranda, E. N.; Analytical solution of the mean field Ising model for finite systems; Journal of Physics: Condensed Matter, May 2012, volume 24, issue 22|doi=10.1088/0953-8984/24/22/226004 |url=http://iopscience.iop.org/0953-8984/24/22/226004
↑ López Domínguez, Victor; Hernàndez, Joan Manel; Tejada, Javier; Ziolo, Ronald F.; Colossal Reduction in Curie Temperature Due to Finite-Size Effects in CoFe₂O₄ Nanoparticles; Chemistry of Materials, volume 25, issue 1, pages 6–11 |doi=10.1021/cm301927z |
↑ Bose, S. K.; Kudrnovský, J.; Drchal, V.; Turek,I.; Pressure dependence of Curie temperature and resistivity in complex Heusler alloys; Physical Review B, volume 84, issue17 |doi=10.1103/PhysRevB.84.174422|
↑ http://www.thermaltronics.com/tmt-9500s.php|^{[alaline kõdulink]} TMT-9500S Soldering and Rework Station; thermaltronics.com; vaadatud 21 January 2019

Välislingid

Ferromagnetic Curie Point, Walter Lewin M.I.T.. Ingliskeelne video, kus selgitatakse Curie punkti olemust.

[1] Buschow, K. H. J. ;Encyclopedia of Materials: Science and Technology; Elsevier 2001 | isbn = 0-08-043152-6 |

[Kolm-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 Jullien, André; Guinier, Rémi; The Solid State from Superconductors to Superalloys; Oxford Univ. Press 1989 | isbn=0198555547 |

[3] Kittel, Charles; Introduction to Solid State Physics (6. trükk); John Wiley & Sons 1986 | isbn = 0-471-87474-4 |

[4] ttps://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1903/pierre-curie-bio.html;"Pierre Curie – Biography";Nobel Media AB; vaadatud 27 jaanuar 2019

[Viis-5] 5,0 ^5,1 Ibach, Harald; Lüth, Hans; Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science; Springer 2009, Berlin|isbn=9783540938033|edition=4th

[6] Levy, Robert A.; Principles of Solid State Physics; Academic Press 1968|isbn=978-0124457508|

[7] Fan, H. Y.;Elements of Solid State Physics; Wiley-Interscience 1987|isbn=9780471859871|

[8] Dekker, Adrianus J.; Solid State Physics; Macmillan 1958|isbn= 9780333106235|

[Üheksa-9] 9,0 ^9,1 Cusack N.;The Electrical and Magnetic Properties of Solids; Longmans, Green 1958

[Kümme-10] Hwang, Hae Jin; Nagai, Toru; Ohji,Tatsuki;Sando, Mutsuo; Toriyama, Motohiro; Niihara, Koichi; Curie temperature Anomaly in Lead Zirconate Titanate/Silver Composites; Journal of the American Ceramic Society, March 1998, volume 81, issue 3, pages709–12|doi=10.1111/j.1151-2916.1998.tb02394.x|

[Üksteist-11] Paulsen, J. A.; Lo, C. C. H.; Snyder, J. E.; Ring, A. P.; Jones, L. L.; Jiles, D. C.; Study of the Curie temperature of cobalt ferrite based composites for stress sensor applications; IEEE Transactions on Magnetics, volume 39, issue 5, pages 3316–18|doi=10.1109/TMAG.2003.816761|issn=0018-9464|bibcode=2003ITM....39.3316P

[Kaksteist-12] 12,0 ^12,1 Bertoldi, Dalía S.; Bringa, Eduardo M.; Miranda, E. N.; Analytical solution of the mean field Ising model for finite systems; Journal of Physics: Condensed Matter, May 2012, volume 24, issue 22|doi=10.1088/0953-8984/24/22/226004 |url=http://iopscience.iop.org/0953-8984/24/22/226004

[Kolmteist-13] López Domínguez, Victor; Hernàndez, Joan Manel; Tejada, Javier; Ziolo, Ronald F.; Colossal Reduction in Curie Temperature Due to Finite-Size Effects in CoFe₂O₄ Nanoparticles; Chemistry of Materials, volume 25, issue 1, pages 6–11 |doi=10.1021/cm301927z |

[Neliteist-14] Bose, S. K.; Kudrnovský, J.; Drchal, V.; Turek,I.; Pressure dependence of Curie temperature and resistivity in complex Heusler alloys; Physical Review B, volume 84, issue17 |doi=10.1103/PhysRevB.84.174422|

[15] ttp://www.thermaltronics.com/tmt-9500s.php|^{[alaline kõdulink]} TMT-9500S Soldering and Rework Station; thermaltronics.com; vaadatud 21 January 2019

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]