In fisica e in scienza dei materiali, la temperatura di Curie , o punto di Curie, è la temperatura al di sopra della quale alcuni materiali perdono le loro proprietà magnetiche permanenti, che possono (nella maggior parte dei casi) essere sostituite dal magnetismo indotto. La temperatura di Curie prende il nome da Pierre Curie, che dimostrò che il magnetismo di un materiale scompariva a una temperatura critica.
La forza del magnetismo è determinata dal momento magnetico, un momento di dipolo all'interno di un atomo che ha origine dal momento angolare e dallo spin degli elettroni. I materiali hanno diverse strutture di momenti magnetici intrinseci che dipendono dalla temperatura; la temperatura di Curie è il punto critico in cui i momenti magnetici intrinseci di un materiale cambiano direzione.
Il magnetismo permanente è causato dall'allineamento dei momenti magnetici e il magnetismo indotto viene creato quando i momenti magnetici disordinati sono forzati ad allinearsi in un campo magnetico applicato. Ad esempio, i momenti magnetici ordinati (ferromagnetico, (Figura 1)) cambiano e diventano disordinati (paramagnetici, (Figura 2) alla temperatura di Curie. Temperature più elevate rendono i magneti più deboli, poiché il magnetismo spontaneo si verifica solo al di sotto della temperatura di Curie. La suscettività magnetica al di sopra della temperatura di Curie può essere calcolata dalla legge di Curie-Weiss, che deriva dalla legge di Curie.
Analogamente ai materiali ferromagnetici e paramagnetici, la temperatura di Curie può essere utilizzata anche per descrivere la transizione di fase tra ferroelettricità e paraelettricità. In questo contesto, il parametro d'ordine è la polarizzazione elettrica che va da un valore finito a zero quando la temperatura viene aumentata al di sopra della temperatura di Curie.
Momenti magnetici I momenti magnetici sono momenti di dipolo permanenti all'interno di un atomo che comprendono il momento angolare dell'elettrone e lo spin dalla relazione
,
dove: è la carica dell'elettrone è la massa dell'elettrone è il momento magnetico è il momento angolare;
questo rapporto è chiamato rapporto giromagnetico.
Gli elettroni in un atomo contribuiscono con i momenti magnetici dal proprio momento angolare e dal proprio momento orbitale attorno al nucleo. I momenti magnetici del nucleo sono insignificanti in contrasto con i momenti magnetici degli elettroni. pp.136-138 Contributi termici provocano elettroni di energia più elevata che interrompono l'ordine e la distruzione dell'allineamento tra i dipoli.
I materiali ferromagnetici, paramagnetici, ferrimagnetici e antiferromagnetici hanno differenti strutture del momento magnetico intrinseco. Alla temperatura di Curie specifica di un materiale, queste proprietà cambiano. Il passaggio da antiferromagnetico a paramagnetico (o viceversa) avviene alla temperatura di Néel , che è analoga alla temperatura di Curie.
Al di sotto di Al di sopra di Ferromagnetico ↔ Paramagnetico Ferromagnetico ↔ Paramagnetico Al di sotto di Al di sopra di Antiferromagnetico ↔ Paramagnetico
Esempi di temperature di Curie: p.5021, tabella 1| p.155
Materiale Temperatura (K) (°C) Ferro (Fe) 1043 K 770 °C Cobalto (Co) 1390 K 1117 °C Nichel (Ni) 620 K 347 °C Mu-metal 570 K 297 °C Gadolinio (Gd) 292 K 19 °C Disprosio (Dy) 88 K -185 °C Bismutiuro di manganese (MnBi) 630 K 357 °C Antimoniuro di manganese (MnSb) 587 K 314 °C Diossido di cromo (CrO2) 386 K 113 °C Arseniuro di manganese (MnAs) 318 K 45 °C Ossido di europio (EuO) 69 K -204 °C Ossido ferrico (Fe2O3) 948 K 675 °C Ossido ferroso-ferrico (Fe3O4) 858 K 585 °C Ossido di niobio-ferrico (NiO–Fe2O3) 858 K 585 °C Ossido rameico-ferrico (CuO–Fe2O3) 728 K 455 °C Ossido di magnesio-ferrico (MgO–Fe2O3) 713 K 440 °C Ossido ipomanganoso-ferrico (MnO–Fe2O3) 573 K 300 °C Granato di ittrio e ferro (Y3Fe5O12) 560 K 287 °C Magneti al neodimio 583-673 K 310-400 °C Alnico 973-1133 K 700-860 °C Magneti al samario-cobalto 993-1073 K 720-800 °C Ferrite di stronzio 723 K 450 °C
Materiali con momenti magnetici che cambiano proprietà alla temperatura di Curie Le strutture ferromagnetiche, paramagnetiche, ferrimagnetiche e antiferromagnetiche sono costituite da momenti magnetici intrinseci. Se tutti gli elettroni all'interno della struttura sono accoppiati, questi momenti si annullano a causa dei loro spin e momenti angolari opposti. Pertanto, anche con un campo magnetico applicato, questi materiali hanno proprietà diverse e nessuna temperatura di Curie.
Paramagnetico
Un materiale è paramagnetico solo al di sopra della sua temperatura di Curie. I materiali paramagnetici sono non magnetici quando il campo magnetico è assente, e sono magnetici quando viene applicato un campo magnetico. Quando un campo magnetico è assente, il materiale ha momenti magnetici disordinati, ossia i momenti magnetici sono asimmetrici e non allineati. Quando è presente un campo magnetico, i momenti magnetici vengono temporaneamente riallineati parallelamente al campo applicato pp. 217-220 e sono simmetrici e allineati pp.164-165 I momenti magnetici allineati nella stessa direzione sono ciò che provoca un campo magnetico indotto.
Per il paramagnetismo, questa risposta a un campo magnetico applicato è positiva ed è nota come suscettività magnetica La suscettività magnetica si applica solo al di sopra della temperatura di Curie per gli stati disordinati p.162
Le fonti di paramagnetismo (materiali che hanno temperatura di Curie) includonopp.198-202
Tutti gli atomi che hanno elettroni spaiati Atomi che hanno shell interne incomplete di elettroni I radicali liberi Metalli.
Al di sopra della temperatura di Curie, gli atomi sono eccitati e gli orientamenti di spin diventano casuali, ma possono essere riallineati dall'applicazione di un campo magnetico esterno: il materiale diventa paramagnetico. Al di sotto della temperatura di Curie, la struttura intrinseca ha subito una transizione di fase p.269 gli atomi sono ordinati e il materiale è ferromagnetico I campi magnetici indotti dai materiali paramagnetici sono molto deboli rispetto ai campi magnetici dei materiali ferromagnetici.
Ferromagnetico
I materiali sono ferromagnetici solo al di sotto delle corrispondenti temperature di Curie. I materiali ferromagnetici sono magnetici in assenza di un campo magnetico applicato.
Quando un campo magnetico è assente, il materiale ha una magnetizzazione spontanea che è il risultato dei momenti magnetici ordinati; cioè, per il ferromagnetismo, gli atomi sono simmetrici e allineati nella stessa direzione creando un campo magnetico interno permanente.
Le interazioni magnetiche sono tenute insieme da interazioni di scambio, altrimenti il disordine termico supererebbe le deboli interazioni dei momenti magnetici. L'interazione di scambio ha una probabilità pari a zero che gli elettroni paralleli occupino lo stesso punto nel tempo, il che implica un allineamento parallelo preferito nel materiale. Il fattore di Boltzmann contribuisce pesantemente in quanto "preferisce" che le particelle interagenti siano allineate nella stessa direzione. Ciò fa sì che i ferromagneti abbiano forti campi magnetici e alte temperature Curie di circa (circa ).
Al di sotto della temperatura di Curie, gli atomi sono allineati e paralleli, causando magnetismo spontaneo: il materiale è ferromagnetico. Al di sopra della temperatura di Curie il materiale è paramagnetico, poiché gli atomi perdono i loro momenti magnetici ordinati quando il materiale subisce una transizione di fase.
Ferrimagnetico
I materiali sono ferrimagnetici solo al di sotto della loro corrispondente temperatura di Curie. I materiali ferrimagnetici sono magnetici in assenza di un campo magnetico applicato e sono costituiti da due diversi ioni.
Quando un campo magnetico esterno è assente il materiale ha un magnetismo spontaneo che è il risultato di momenti magnetici ordinati; cioè, per il ferrimagnetismo, i momenti magnetici di uno ione sono allineati rivolti in una direzione con una certa grandezza e i momenti magnetici dell'altro ione sono allineati rivolti nella direzione opposta con una grandezza diversa. Poiché i momenti magnetici sono di diversa grandezza in direzioni opposte, c'è ancora un magnetismo spontaneo ed è presente un campo magnetico.
Simile ai materiali ferromagnetici, le interazioni magnetiche sono tenute insieme da interazioni di scambio. Gli orientamenti dei momenti, tuttavia, sono antiparalleli, il che si traduce in un momento netto dato dalla sottrazione di un momento con l'altro.
Al di sotto della temperatura di Curie gli atomi di ogni ione sono allineati in modo antiparallelo con diversi momenti provocando un magnetismo spontaneo; il materiale è ferrimagnetico. Al di sopra della temperatura di Curie il materiale è paramagnetico poiché gli atomi perdono i loro momenti magnetici ordinati mentre il materiale subisce una transizione di fase.
Antiferromagnetico e la temperatura di Néel
I materiali sono antiferromagnetici solo al di sotto della loro corrispondente temperatura di Néel (o temperatura di ordinamento magnetico) . Questa è simile alla temperatura di Curie poiché al di sopra della temperatura di Néel il materiale subisce una transizione di fase e diventa paramagnetico. Cioè, l'energia termica diventa abbastanza grande da distruggere l'ordinamento magnetico microscopico all'interno del materiale. Prende il nome da Louis Néel, che nel 1970 ricevette il Premio Nobel per la fisica per il suo lavoro al riguardo.
Il materiale ha momenti magnetici uguali allineati in direzioni opposte dando come risultato un momento magnetico nullo e un magnetismo netto pari a zero a tutte le temperature inferiori alla temperatura di Néel. I materiali antiferromagnetici sono debolmente magnetici in assenza o in presenza di un campo magnetico esterno.
Simile ai materiali ferromagnetici, le interazioni magnetiche sono tenute insieme da interazioni di scambio che impediscono al disordine termico di superare le interazioni deboli dei momenti magnetici. Quando si verifica il disordine, si è giunti alla temperatura di Néel
Di seguito sono elencate le temperature di Néel di diversi materiali:.
Sostanza Temperature di Néel (K) Monossido di manganese (MnO) 116 Solfuro di manganese(II) (MnS) 160 MnTe 307 Fluoruro manganoso (MnF2) 67 Fluoruro di ferro(II) (FeF2) 79 Cloruro ferroso (FeCl2 24 Ioduro ferroso (FeI2) 9 Ossido ferroso (FeO) 198 Ossicloruro di ferro (FeOCl) 80 Dicloruro di cromo (CrCl2) 25 Diioduro di cromo(II) (CrI2) 12 Monossido di cobalto (CoO) 291 Cloruro di nichel (NiCl2) 50 Ioduro di nichel(II) (NiI2) 75 Ossido di nichel (NiO) 525 Ferrite di potassio (KFeO2) 983 Cromo (Cr) 308 Triossido di dicromo (Cr2O3) 307 Nd5Ge350
Legge di Curie-Weiss
La legge di Curie-Weiss è una versione adattata della legge di Curie.
La legge di Curie-Weiss è un semplice modello derivato da un'approssimazione di campo medio; questo significa che funziona bene per temperature dei materiali molto maggiori della loro corrispondente temperatura di Curie ; tuttavia non riesce a descrivere la suscettività magnetica nelle immediate vicinanze del punto di Curie a causa delle fluttuazioni locali tra gli atomi p. 153
Né la legge di Curie, né la legge di Curie–Weiss valgono per .
Legge di Curie per un materiale paramagnetico è: pp.205-206
, dove: è la suscettività magnetica sono i momenti magnetici per unità di volume è il campo magnetico macroscopico è l'induzione magnetica è la costante di Curie specifica del materiale data da: , con: numero di Avogadro è la permeabilità magnetica del vuoto è il fattore di Landé è l'autovalore per l'autostato per gli stati stazionari all'interno dei gusci atomici incompleti (elettroni spaiati) è il magnetone di Bohr la costante di Boltzmann.
Il magnetismo totale è volte il numero di momenti magnetici per unità di volume. La legge di Curie-Weiss è quindi derivata dalla legge di Curie per essere:
,
dove: