Curieův zákon je pravidlo platící u řady paramagnetických látek, které říká, že magnetizace je při dostatečně vysoké teplotě a dostatečně slabých polích přímo úměrná intenzitě magnetického pole; při zahřívání tento vztah přestává platit. Je-li intenzita pole stálá, pak je magnetická susceptibilita nepřímo úměrná teplotě:
kde je (objemová) magnetická susceptibilita, je vytvořená magnetizace (A/m), je intenzita magnetického pole (A/m), je teplota (K), je Curiova konstanta, specifická pro daný materiál (K).
Pierre Curie objevil toto pravidlo při zpracování dat z pokusu a platí jen při vysokých teplotách a slabých polích. Maximální magnetizace nastává za nízkých teplot a silných polí. Pokud je Curieova konstanta nulová, tak převažují jiné magnetické jevy, například Langevinův diamagnetismus nebo Van Vleckův paramagnetismus.
Odvození z kvantové mechaniky náhled|vpravo|300px|Magnetizace paramagnetu jako funkce převrácené hodnoty teploty
Každá částice paramagnetu má magnetický moment . Energie magnetického momentu v magnetickém poli je:
kde je hustota magnetického pole v jednotkách tesla (T).
Dvoustavové částice (se spinem -1/2) Pro zjednodušení výpočtu se uvažují dvoustavové částice, které mohou mít směr magnetického momentu ve srovnání s magnetickým polem souhlasný nebo opačný a jediné možné hodnoty magnetického momentu tak jsou a . V takovém případě má částice jen dvě možné energie, při uspořádání ve směru magnetického pole, a při opačném uspořádání.
Gibbsova volná energie je:
Magnetizace je zápornou derivací volné energie vůči uvažovanému poli, a magnetizace na jednotkový objem tak činí
kde n je hustota počtu magnetických momentů.
Výše uvedený vztah se nazývá Langevinova paramagnetická rovnice. Pierre Curie vytvořil aproximaci tohoto pravidla pro vysoké teploty a slabá pole, která používal při svých pokusech. S růstem teploty a poklesem intenzity pole se parametr vyjádřený hyperbolickým tangentem snižuje. Za takových podmínek platí:
Pokud , tak
magnetizace je tedy malá, a lze tedy použít vzorec , z čehož vyplývá:
Za těchto podmínek je magnetická susceptibilita:
což dává:
kde , v kelvinech (K), je Curieova konstanta.
Zobecnění Jestliže mají částice libovolný spin, tak je vzorec složitější. Ve slabých magnetických polích nebo za vysokých teplot odpovídá spin Curieovu zákonu:
kde je celkové kvantové číslo úhlového momentu hybnosti, a faktor g (takový, že je magnetický moment). V dvouúrovňové soustavě s magnetickým momentem se vzorec zjednoduší do výše uvedené podoby
Když se spin blíží nekonečnu, tak magnetizace dosahuje klasické hodnoty odvozené v následujícím oddílu.
Odvození z klasické statistické mechaniky Paramagnety si také lze představit jako klasické, volně rotující, magnetické momenty. V takovém případě je jejich polohový vektor určen úhly ve sférických souřadnicích a energie jednotlivého momentu potom bude:
kde je úhel mezi magnetickým momentem a magnetickým polem. Odpovídající rozdělovací funkce je:
Výsledek nezávisí na úhlu , a tak lze proměnné upravit na za vzniku:
Nyní je očekávaná hodnota složky magnetizace (zbylé dvě jsou v důsledku integrace podle nulové):
Pro zjednodušení výpočtu lze tento výsledek zapsat jako diferenciaci :
Odstraněním derivace vznikne:
kde je Langevinova funkce:
Tato funkce vypadá pro malá jako singulární, ovšem není, protože dvě singulární proměnné se navzájem vyruší. Chování této funkce pro malé argumenty lze popsat jako:
, takže se také uplatní Curieova limita, ale s třikrát menší Curieovou konstantou. Podobně se funkce na pro velké argumenty nasycuje, a tak se obnovuje opačná limita.
Historie Pierre Curie v roce 1895 zpozoroval, že magnetická susceptibilita kyslíku je nepřímo úměrná jeho teplotě. Paul Langevin o deset let později představil klasické odvození tohoto vztahu.
Odkazy
Reference
Související články Curieův–Weissův zákon
Kategorie:Elektromagnetismus