居里点(Curie 小数点),又称居里温度(Curie 温度,Tc)或磁性转变点,是指磁性材料自发磁化强度降到零时的温度,是铁磁性转变成顺磁性的临界点。
居里点是由物理学家皮埃尔·居里于19世纪末在实验室里发现的磁石的一个物理特性。低于居里点温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变,这时的磁敏感度约为10-6。居里点是表征磁性材料基本特性的物理量,它仅与材料的化学成分和晶体结构有关。对于居里点的测量可采用基于玛丽·居里皮埃尔·外斯定律的热磁曲线测量法,即测量磁化强度M(或磁化率χ)随温度T的变化曲线。
测定铁磁材料的居里点对磁材料、磁性器件的研究和研制以及工程技术的应用具有重要意义。人们利用居里点的特点,开发出了很多控制元件,还通过测定岩石的居里点分析出了岩石所含铁磁性造岩矿物的种类和成分。
名称由来
居里点是由物理学家皮埃尔·居里发现。19世纪末,著名物理学家皮埃尔·居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性,就是当磁石加热到一定温度时,原来的磁性就会消失。后来,人们把这个温度叫作居里点。
原理及特点
原理
磁性材料自发磁化强度随温度的升高而下降,当达到某一温度时,自发磁化强度降为零,此时对应的温度为居里点温度。居里点也是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。低于居里点温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。详细的机理解释为:铁磁物质被磁化后具有很强的磁性,但随着温度的升高,金属点阵热运动的加剧会影响磁畴磁矩的有序排列,当温度达到足以破坏磁畴磁矩的整齐排列时,磁畴被瓦解,平均磁矩变为零,铁磁物质的磁性消失变为顺磁物质,与磁畴相关的一系列铁磁性质(如高磁导率、磁滞回线、磁致伸缩等)全部消失,相应的铁磁物质的磁导率转化为顺磁物质的磁导率。
特点
居里点是表征磁性材料基本特性的物理量,它仅与材料的化学成分和晶体结构有关,几乎与晶粒的大小、取向以及应力分布等结构因素无关,因此又称它为结构不灵敏参数。
常见材料的居里点
测量方法
对于居里点温度的测量,最直接的方法是基于玛丽·居里皮埃尔·外斯定律的热磁曲线测量法,即测量磁化强度M(或磁化率x)随温度T的变化曲线,简称MT(或xT)曲线法。所用仪器一般为振动样品磁强计(VSM)或超导量子干涉仪(SQUID),测试时需加一定大小的饱和磁场,如果遇到易氧化的样品还需抽真空,然后从室温加热到Tc点以上的某一高温测MT曲线 此方法虽然能够得到相对精确的Tc值,但磁场、真空、加热等条件对仪器能耗较大,测试成本较高,并非最佳选择。热重/差热分析仪(TG/DTA)是研究材料热稳定性的常用工具,从DTA曲线中往往能获取材料的相变信息。在TG/DTA测试前,仪器需先用镍(Ni)的居里点校正温度,以确保实验温度的可靠性。若用TG/DTA直接测试铁磁材料的居里点,则只需在常规 TG/DTA测量的基础上增加永磁体,气氛和升温条件无需改变,升温速率可达10℃/min,该方法可以缩短测试时间,降低功耗和成本。另外,由于微结构相关的参量可以影响铁磁纳米材料的居里点,因此构建合适的模型十分必要,从理论计算的角度分析二者的关系,可有效调控材料的居里点。
影响因素
居里点是铁磁性/亚铁磁性材料的基本特征, 由物质的化学成分和晶体结构决定。永磁材料居里点测试条件外磁场大小、 升温速率、 保温时间以及软磁材料居里点测试条件频率、 电压等对居里点测量结果均有很大的影响。
相关应用
测定铁磁材料的居里点对磁材料、磁性器件的研究和研制有重要意义,也对工程技术的应用具有十分重要的意义。
岩矿物分析
岩石的居里点实际上是所含的铁磁性造岩矿物的居里点。如果一种岩石包含多种铁磁性 矿物时,它就具有几个居里点。因此,通过测定岩石的居里点,可以分析岩石所含铁磁性造岩矿物的种类和成分。
工业领域
以压电陶瓷为例。当压电材料的温度达到一定阈值后,材料的压电效应会自行消失,该温度阈值为材料的居里温度或居里点,一般记为Te。压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应,它有一临界温度Tc,当温度高于Tc时,压电陶瓷发生结构相转变,失去压电效应,其临界温度Tc称为居里温度。压电陶瓷(piezoelectric 陶艺) 具有压电特性的陶瓷材料。压电陶瓷能够将机械能和电能互相转换。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下,引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化,导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应。压电陶瓷主要用于制造超声传感器、超声马达、超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。
日常生活
居里点确定了磁性器件工作的上限温度,对于磁性材料来说至关重要。利用居里点的特点,人们开发出了很多控制元件。例如,我们使用的电饭煲就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭煲的底部中央装了一块四氧化三铁和一块居里点为105℃的磁性材料。当锅里的水分干了以后,食品的温度将从100℃上升,当温度到达大约105℃以上时。由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失,磁铁就对它失去了吸引力,这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把他们分开,同时带动电源开关被断开,停止加热。
古地磁说
在地球上,岩石在成岩过程中受到地磁场的磁化作用,获得微弱磁性,并且被磁化的岩石的磁场与地磁场是一致的。这就是说,无论地磁场怎样改换方向,只要它的温度不高于“居里点”,岩石的磁性是不会改变的。根据这个道理,只要测出岩石的磁性,自然能推测出当时的地磁方向。这就是在地学研究中人们常说的化石磁性。在此基础之上,科学家利用化石磁性的原理,研究地球演化历史的地磁场变化规律,这就是古地磁说。由地表到地壳深部,当温度到达岩石的居里点时,地下岩石就会失去强磁性。
为了寻找大陆漂移说的新证据,科学家把古地磁学引入海洋地质领域,并取得一定的成绩。第二次世界大战之后,科学家使用高灵敏度的磁力探测仪,在大西洋洋中脊上的海面进行古地磁调查。之后,人们又使用磁力仪等仪器,以密集测线方式对太平洋进行古地磁测量。两次调查的资料使人们惊奇地发现,在大洋底部存在着等磁力线条带,而且呈南北向平行于大洋洋中脊中轴线的两侧,磁性正负相间。每条磁力线条带长约数百千米,宽度在数十千米至上百千米之间不等。海底磁性条带的发现,成为该世纪地球科学研究的一大奇迹。
1963年,英国剑桥大学的一位年轻学者F.J.瓦因和他的老师D.H.马修斯提出,如果“海底扩张”曾经发生过,那么,大洋中脊上涌的熔岩,当它凝固后应当保留当时地球磁场的磁化方向。就是说在洋脊两侧的海底应该有磁化情况相同的磁性条带存在。当地球磁场发生反转时,磁性条带的极性也应该发生反转,磁性条带的宽度可以作为两次反转时间的度量标准。这个大胆的假说,很快被证实了,人们在太平洋、大西洋、印度洋都找到了同样对称的磁性条带。此外,科学家还计算出在7600万年中,地球曾发生过171次反转现象。
研究还发现,地球磁场两次反转之间的时间最长周期约为300万年,最短的周期约为5万年,两次反转的平均周期约为42~48万年。地球的磁场方向已保留70万年了,所以,有人认为一个新的磁场变化可能正在向人们靠近。对于海底磁性条带的研究仍在继续之中。例如,对于地球磁场为什么要来回反转这个最基本的问题,就无法解释清楚。尽管科学家们提出过种种假说,但其真正的原因还是不清楚的。也就是说,地球发生磁场转向的内在规律之谜,有待于科学家们去继续探索。
参考资料