Curie-temperatuur

Curie temperatuuriks (\(T_C\)) nimetatakse seda temperatuuri, millest kõrgemal läheb ferromagnetiline aine üle paramagnetiliseks aineks. Ka remanents magnetiseeritud ferromagnetis kaob Curie temperatuurist kõrgemal. Selle nähtuse avastas 1895. aastal Prantsuse füüsik Pierre Curie.

Selle efekti mõistmiseks tuleks lühidalt käsitleda remanentsi füüsikalist alust. Kui ferromagnet puutub kokku välise magnetväljaga, toimub magnetiseerumine. Materjal muutub ise magnetiliseks ja püsib magnetiline ka siis, kui väline magnetväli välja lülitatakse. Seda allesjäävat magnetiseeritust nimetatakse remanentsiks. Curie temperatuuri olemasolu füüsikaline põhjus peitub ferromagnetismi olemuses. Ferromagnetism tekib seeläbi, et magnetilised momendid, mille põhjustab elektronispinn, joondatakse ja stabiliseeritakse materjalis, kui materjal on välise magnetvälja mõju all.

See joondus on ferromagnetites tänu vahetusvastastikmõjule elektronispinnide vahel väga stabiilne. Vahetusvastastikmõju takistab, et spinnide joondus läheks soojusliikumise tõttu toatemperatuuril kaduma.

Kõrgematel temperatuuridel suureneb aga elektronispinnide liikumine. Esialgu jäävad spinnid suurtes piirkondades, nn Weiss’i domäänides, paralleelselt joondatuks. Võib juhtuda vaid see, et spinnide suundumus nihkub suuremas piirkonnas samaaegselt. Seda nimetatakse Barkhauseni hüppeks. Seejuures tekib uus Weiss’i domään. Iseloomulikust temperatuurist, Curie temperatuurist, kõrgemal ületab elektronispinnide liikumisenergia (räägitakse ka soojusenergiast) vahetusvastastikmõju energia.

Seetõttu segunevad elektronispinnid ning paralleelne joondus kaob täielikult. Kui elektronispinnide soojusenergia on suurem kui vahetusvastastikmõju, on aine magnetiseerumine välises magnetväljas oluliselt väiksem kui ferromagnetil. Siis räägitakse paramagnetismist. Elektronispinnide soojusenergia ületab vahetusvastastikmõju, mis on igale materjalile iseloomulik, just Curie temperatuurist pisut kõrgemal. Seetõttu on ka Curie temperatuur materjalispetsiifiline. See on raual 769 °C, koobaltil 1127 °C ja nikkelil 358 °C.

Käitumine üle Curie temperatuuri

Paramagnetis on elektronspinnid statsionaarselt orienteeritud seni, kuni välis­magnetvälja ei ole. Materjal kaotab oma magnetiseerituse kohe pärast välise välja väljalülitamist.

magnetiline vastuvõtlikkus χ ja seega ka materjali magnetiline permeaablus µ sõltuvad paramagnetide puhul üle Curie temperatuuri jätkuvalt tugevalt temperatuurist. Mida kõrgem on temperatuur, seda kehvemini saab välise väljaga spine joondada ja seda vähem võimendab paramagnetiline materjal välist magnetvälja.

Magnetilise vastuvõtlikkuse χ sõltuvust temperatuurist T saab üle Curie temperatuuri T_C, s.t. T > T_C korral, kirjeldada Curie–Weissi seadusega.

Curie–Weissi seadus on järgmine:
\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\),

kus C on nn Curie konstant. Ka Curie konstant on materjalispetsiifiline (sõltub materjali tüübist). Selle seaduse formuleeris esmakordselt füüsik Pierre Curie 1896. aastal ja arendas edasi 1907. aastal Prantsuse füüsik Pierre-Ernest Weiss.

Mõnede ferromagnetiliste materjalide Curie' temperatuurid

Tabel: Erinevate esinevate ferromagnetiliste ja ferrimagnetiliste materjalide Curie' temperatuuride ülevaade allikate [1]–[4] järgi.

Materjal	Keemiline valem	Curie temp. (K)	Curie temp. (°C)	Magnetism
Kobalt	Co	1388	1115	Ferro­magnetiline
Raud	Fe	1043	770	Ferro­magnetiline
Raud(III)oksiid	Fe2O3	948	675	Ferri­magnetiline
Nikkelraudoksiid	NiOFe2O3	858	585	Ferri­magnetiline
Vaskraudoksiid	CuOFe2O3	728	455	Ferri­magnetiline
Magneesiumraudoksiid	MgOFe2O3	713	440	Ferri­magnetiline
Mangaan-bismut	MnBi	630	357	Ferro­magnetiline
Nikkel	Ni	627	354	Ferro­magnetiline
Neodüüm-raud-boor	Nd2Fe14B	593	320	Ferro­magnetiline
Mangaan-antimoniid	MnSb	587	314	Ferro­magnetiline
Mangaanraudoksiid	MnOFe2O3	573	300	Ferri­magnetiline
Ütrium-raud-granaat	Y3Fe5O12	560	287	Ferri­magnetiline
Kroom(IV)oksiid	CrO2	386	113	Ferri­magnetiline
Mangaan-arseen	MnAs	318	45	Ferro­magnetiline
Gadoliinium	Gd	292	19	Ferro­magnetiline
Terbium	Tb	219	-54	Ferro­magnetiline
Disproosium	Dy	88	-185	Ferro­magnetiline
Euroopium(II)oksiid	EuO	69	-204	Ferro­magnetiline

Allikad:
[1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Anorgaanilise keemia õpik. 102. trükk. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, lk 1682.
[2] C. Rau, S. Eichner: Evidence for ferromagnetic order at gadolinium surfaces above the bulk Curie temperature. Ajakiri: Physical Review B. köide 34, nr 9, november 1986, lk 6347–6350, doi:10.1103/PhysRevB.34.6347
[3] C. Kittel: Introduction to Solid State Physics (kuues trükk). John Wiley and Sons, 1986. ISBN 0-471-87474-4.
[4] M. Jackson: Wherefore Gadolinium? Magnetism of the Rare Earths (PDF). IRM Quarterly. Institute for Rock Magnetism. 10 (3), 2000

Tabelis on esitatud valik materjale, mis leiavad oma huvitavate magnetiliste omaduste tõttu mitmesugust huvitavat kasutust. Neodüüm-raud-boor kasutatakse näiteks sageli püsimagnetite jaoks ning selle Curie temperatuur on 320 °C. Kõik nimetatud materjalid on ferromagnetilised või ferrimagnetilised vaid allpool Curie temperatuuri; sellest kõrgemal muutuvad materjalid paramagnetilisteks, kuna elektronispinnide vahetusvastasmõju laguneb soojusliikumise tõttu.

Paljude materjalide puhul sõltuvad täpsed magnetilised omadused tundlikult konkreetsest koostisest ja tootmistingimustest. Näiteks on MnAs tuntud oma faasisiirete ja nendega kaasnevate magnetiliste omaduste muutuste poolest, mis teeb sellest huvitava kandidaadi soojussalvesti rakenduste ja andurite jaoks. MnAs-i täpsed magnetilised omadused, sealhulgas selle Curie temperatuur, sõltuvad tugevalt materjali kristallstruktuurist ja mikrostruktuurist.