居里點(Curie 小數點),又稱居里溫度(Curie 溫度,Tc)或磁性轉變點,是指磁性材料自發磁化強度降到零時的溫度,是鐵磁性轉變成順磁性的臨界點。
居里點是由物理學家皮埃爾·居里于19世紀末在實驗室里發現的磁石的一個物理特性。低于居里點溫度時該物質成為鐵磁體,此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高于居里點時,該物質成為順磁體,磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變,這時的磁敏感度約為10-6。居里點是表征磁性材料基本特性的物理量,它僅與材料的化學成分和晶體結構有關。對于居里點的測量可采用基于瑪麗·居里皮埃爾·外斯定律的熱磁曲線測量法,即測量磁化強度M(或磁化率χ)隨溫度T的變化曲線。
測定鐵磁材料的居里點對磁材料、磁性器件的研究和研制以及工程技術的應用具有重要意義。人們利用居里點的特點,開發出了很多控制元件,還通過測定巖石的居里點分析出了巖石所含鐵磁性造巖礦物的種類和成分。
名稱由來
居里點是由物理學家皮埃爾·居里發現。19世紀末,著名物理學家皮埃爾·居里在自己的實驗室里發現磁石的一個物理特性,就是當磁石加熱到一定溫度時,原來的磁性就會消失。后來,人們把這個溫度叫作居里點。
原理及特點
原理
磁性材料自發磁化強度隨溫度的升高而下降,當達到某一溫度時,自發磁化強度降為零,此時對應的溫度為居里點溫度。居里點也是鐵磁性或亞鐵磁性物質轉變成順磁性物質的臨界點。低于居里點溫度時該物質成為鐵磁體,此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高于居里點時,該物質成為順磁體,磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為10的負6次方。詳細的機理解釋為:鐵磁物質被磁化后具有很強的磁性,但隨著溫度的升高,金屬點陣熱運動的加劇會影響磁疇磁矩的有序排列,當溫度達到足以破壞磁疇磁矩的整齊排列時,磁疇被瓦解,平均磁矩變為零,鐵磁物質的磁性消失變為順磁物質,與磁疇相關的一系列鐵磁性質(如高磁導率、磁滯回線、磁致伸縮等)全部消失,相應的鐵磁物質的磁導率轉化為順磁物質的磁導率。
特點
居里點是表征磁性材料基本特性的物理量,它僅與材料的化學成分和晶體結構有關,幾乎與晶粒的大小、取向以及應力分布等結構因素無關,因此又稱它為結構不靈敏參數。
常見材料的居里點
測量方法
對于居里點溫度的測量,最直接的方法是基于瑪麗·居里皮埃爾·外斯定律的熱磁曲線測量法,即測量磁化強度M(或磁化率x)隨溫度T的變化曲線,簡稱MT(或xT)曲線法。所用儀器一般為振動樣品磁強計(VSM)或超導量子干涉儀(SQUID),測試時需加一定大小的飽和磁場,如果遇到易氧化的樣品還需抽真空,然后從室溫加熱到Tc點以上的某一高溫測MT曲線 此方法雖然能夠得到相對精確的Tc值,但磁場、真空、加熱等條件對儀器能耗較大,測試成本較高,并非最佳選擇。熱重/差熱分析儀(TG/DTA)是研究材料熱穩定性的常用工具,從DTA曲線中往往能獲取材料的相變信息。在TG/DTA測試前,儀器需先用鎳(Ni)的居里點校正溫度,以確保實驗溫度的可靠性。若用TG/DTA直接測試鐵磁材料的居里點,則只需在常規 TG/DTA測量的基礎上增加永磁體,氣氛和升溫條件無需改變,升溫速率可達10℃/min,該方法可以縮短測試時間,降低功耗和成本。另外,由于微結構相關的參量可以影響鐵磁納米材料的居里點,因此構建合適的模型十分必要,從理論計算的角度分析二者的關系,可有效調控材料的居里點。
影響因素
居里點是鐵磁性/亞鐵磁性材料的基本特征, 由物質的化學成分和晶體結構決定。永磁材料居里點測試條件外磁場大小、 升溫速率、 保溫時間以及軟磁材料居里點測試條件頻率、 電壓等對居里點測量結果均有很大的影響。
相關應用
測定鐵磁材料的居里點對磁材料、磁性器件的研究和研制有重要意義,也對工程技術的應用具有十分重要的意義。
巖礦物分析
巖石的居里點實際上是所含的鐵磁性造巖礦物的居里點。如果一種巖石包含多種鐵磁性 礦物時,它就具有幾個居里點。因此,通過測定巖石的居里點,可以分析巖石所含鐵磁性造巖礦物的種類和成分。
工業領域
以壓電陶瓷為例。當壓電材料的溫度達到一定閾值后,材料的壓電效應會自行消失,該溫度閾值為材料的居里溫度或居里點,一般記為Te。壓電陶瓷只在某一溫度范圍內具有壓電效應,它有一臨界溫度Tc,當溫度高于Tc時,壓電陶瓷發生結構相轉變,失去壓電效應,其臨界溫度Tc稱為居里溫度。壓電陶瓷(piezoelectric 陶藝) 具有壓電特性的陶瓷材料。壓電陶瓷能夠將機械能和電能互相轉換。壓電陶瓷利用其材料在機械應力作用下,引起內部正負電荷中心相對位移而發生極化,導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷即壓電效應。壓電陶瓷主要用于制造超聲傳感器、超聲馬達、超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等。
日常生活
居里點確定了磁性器件工作的上限溫度,對于磁性材料來說至關重要。利用居里點的特點,人們開發出了很多控制元件。例如,我們使用的電飯煲就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯煲的底部中央裝了一塊四氧化三鐵和一塊居里點為105℃的磁性材料。當鍋里的水分干了以后,食品的溫度將從100℃上升,當溫度到達大約105℃以上時。由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失,磁鐵就對它失去了吸引力,這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把他們分開,同時帶動電源開關被斷開,停止加熱。
古地磁說
在地球上,巖石在成巖過程中受到地磁場的磁化作用,獲得微弱磁性,并且被磁化的巖石的磁場與地磁場是一致的。這就是說,無論地磁場怎樣改換方向,只要它的溫度不高于“居里點”,巖石的磁性是不會改變的。根據這個道理,只要測出巖石的磁性,自然能推測出當時的地磁方向。這就是在地學研究中人們常說的化石磁性。在此基礎之上,科學家利用化石磁性的原理,研究地球演化歷史的地磁場變化規律,這就是古地磁說。由地表到地殼深部,當溫度到達巖石的居里點時,地下巖石就會失去強磁性。
為了尋找大陸漂移說的新證據,科學家把古地磁學引入海洋地質領域,并取得一定的成績。第二次世界大戰之后,科學家使用高靈敏度的磁力探測儀,在大西洋洋中脊上的海面進行古地磁調查。之后,人們又使用磁力儀等儀器,以密集測線方式對太平洋進行古地磁測量。兩次調查的資料使人們驚奇地發現,在大洋底部存在著等磁力線條帶,而且呈南北向平行于大洋洋中脊中軸線的兩側,磁性正負相間。每條磁力線條帶長約數百千米,寬度在數十千米至上百千米之間不等。海底磁性條帶的發現,成為該世紀地球科學研究的一大奇跡。
1963年,英國劍橋大學的一位年輕學者F.J.瓦因和他的老師D.H.馬修斯提出,如果“海底擴張”曾經發生過,那么,大洋中脊上涌的熔巖,當它凝固后應當保留當時地球磁場的磁化方向。就是說在洋脊兩側的海底應該有磁化情況相同的磁性條帶存在。當地球磁場發生反轉時,磁性條帶的極性也應該發生反轉,磁性條帶的寬度可以作為兩次反轉時間的度量標準。這個大膽的假說,很快被證實了,人們在太平洋、大西洋、印度洋都找到了同樣對稱的磁性條帶。此外,科學家還計算出在7600萬年中,地球曾發生過171次反轉現象。
研究還發現,地球磁場兩次反轉之間的時間最長周期約為300萬年,最短的周期約為5萬年,兩次反轉的平均周期約為42~48萬年。地球的磁場方向已保留70萬年了,所以,有人認為一個新的磁場變化可能正在向人們靠近。對于海底磁性條帶的研究仍在繼續之中。例如,對于地球磁場為什么要來回反轉這個最基本的問題,就無法解釋清楚。盡管科學家們提出過種種假說,但其真正的原因還是不清楚的。也就是說,地球發生磁場轉向的內在規律之謎,有待于科學家們去繼續探索。
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