Точка Кюри — температура магнитного перехода¶

Точка Кюри — температура, при которой ферромагнитное или ферримагнитное вещество при нагреве теряет свои магнитные свойства и переходит в парамагнитное состояние. Названа в честь французского физика Пьера Кюри, который в 1895 году экспериментально показал, что магнитные свойства вещества зависят от температуры и исчезают при достижении определённого порога. Над точкой Кюри работает постоянное внешнее магнитное поле, но без него вещество не проявляет остаточного намагничивания.

¶Физическая природа явления

В ферромагнетиках магнитные моменты атомов упорядочены параллельно друг другу в областях, называемых доменами. Это упорядочение возникает за счёт квантовомеханического обменного взаимодействия между соседними атомами. С ростом температуры тепловое движение атомов нарушает ориентацию магнитных моментов. При достижении точки Кюри хаотическое тепловое движение полностью преодолевает обменное взаимодействие, длинный порядок в ориентации магнитных моментов разрушается, и вещество становится парамагнитным — его магнитная восприимчивость подчиняется закону Кюри — Вейсса.

При охлаждении ниже точки Кюри процесс обратим: магнитные домены восстанавливаются, и вещество снова становится ферромагнитным. Если охлаждение происходит в присутствии внешнего магнитного поля, домены выстраиваются преимущественно вдоль направления поля, что приводит к появлению остаточной намагниченности.

¶Закон Кюри — Вейсса

Для парамагнитной области (выше точки Кюри) зависимость магнитной восприимчивости χ от температуры описывается формулой:

χ = C / (T − Tc),

где C — постоянная Кюри, T — абсолютная температура, Tc — температура Кюри (постоянная Вейсса). При T → Tc восприимчивость стремится к бесконечности, что отражает катастрофический характер фазового перехода. Этот закон был предложен Пьером Вейссом в 1907 году как обобщение открытого Пьером Кюри закона для простых парамагнетиков (χ = C/T).

¶Типы фазового перехода

Ферромагнитный переход в точке Кюри относится к фазовым переходам второго рода (по классификации Ландау). При этом переходе не происходит скрытой теплоты и скачка энтропии, но наблюдаются:

• непрерывное изменение намагниченности, которая обращается в нуль при Tc;
• скачок теплоёмкости вещества;
• расходимость магнитной восприимчивости;
• аномальный рост коэрцитивной силы вблизи точки перехода.

Поведение намагниченности вблизу точки Кюри описывается критическими показателями. Для классической теории Вейсса критический показатель β, описывающий зависимость намагниченности от разности Tc − T, равен 1/2. Более точные значения, полученные в рамках теории критических явлений и renormalization group, составляют около 0,326 для трёхмерных систем.

¶Значения точки Кюри для некоторых веществ

Магнитный шпинель Fe₃O₄ (магнетит) был первым веществом, у которого Пьер Кюри обнаружил исчезновение магнитных свойств при нагреве — это произошло ещё в 1895 году.

¶Точка Кюри в природе и технике

¶Палеомагнетизм

Значение точки Кюри имеет большое значение в палеомагнитных исследованиях. При остывании магматических пород ниже точки Кюри содержащиеся в них ферромагнитные минералы запоминают направление и интенсивность геомагнитного поля той эпохи. Этот эффект лежит в основе метода палеомагнетизма, позволившего установить реалистичную историю движения материков и подтвердить теорию тектоники плит.

¶Термическая обработка постоянных магнитов

Постоянные магниты из сплавов на основе неодима, самария-кобальта и других материалов при нагреве выше точки Кюри необратимо теряют намагниченность. Поэтому одним из ключевых параметров применения постоянных магнитов является максимальная рабочая температура, которая всегда ниже точки Кюри материала. Для сплавов Nd₂Fe₁₄B стандартная точка Кюри составляет около 312 °C, что ограничивает их использование в высокотемпературных средах; для более дорогих сплавов SmCo₅ и Sm₂Co₁₇ точка Кюри достигает 720–820 °C.

¶Магнитное охлаждение

Эффект магнитного охлаждения (магнитокалорический эффект) проявляется наиболее ярко вблизи точки Кюри. При намагничивании ферромагнитного материала в этой области он нагревается, при размагничивании — охлаждается. На основе этого принципа работают экспериментальные системы магнитного охлаждения, в которых в качестве рабочего вещества используются материалы с точкой Кюри вблизи комнатной температуры, например сплавы Gd-Si-Ge, открытые в 1997 году.

¶Космология

Точка Кюри играет роль в космологических моделях, описывающих раннюю Вселенную. Согласно теории электрослабого симметричного состояния, при температуре около 10¹⁵ К электрослабая симметрия была нарушена, что можно рассматривать как фазовый переход, аналогичный переходу в точке Кюри. Этот переход породил различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями.

¶История

Пьер Кюри обнаружил зависимость магнитных свойств от температуры в 1895 году, установив, что ферромагнетики теряют магнитные свойства при определённой критической температуре. В 1907 году Пьер Вейсс предложил молекулярное поле для объяснения ферромагнетизма и ввёл понятие постоянной Вейсса, численно совпадающей с точкой Кюри. В 1942–1944 годах Лев Ландау развил общую теорию фазовых переходов второго рода, включив магнитный переход в точке Кюри в свою классификацию.

История:

• Пьер Кюри. Исследование свойств железа при высоких температурах (1895)
• Пьер Вейсс. Гипотеза внутреннего поля в ферромагнетиках (1907)
• Л. Д. Ландау. Теория фазовых переходов второго рода (1937)
• К. Г. Вильсон. Теория критических явлений и renormalization group (1971)