퀴리 온도

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퀴리 온도 혹은 퀴리점은 강자성체가 강자성 상태에서 상자성(常磁性, paramagnetism) 상태로 변하거나 그 반대로 변하는 전이온도를 말한다. 자석같은 강자성체를 퀴리온도 이상으로 가열하면 자석으로서의 성질을 잃는다. 명칭은 발견자인 프랑스의 물리학자 피에르 퀴리의 이름에서 딴 것이다. 자석의 재료가 되는 물질을 조절하면 퀴리 온도를 어느 정도 바꿀 수 있다.

퀴리 온도 이상에서는 자발자화를 가지지 않는 데 비해 이보다 낮은 온도에서는 자발 자화를 가진다. 이런 의미에서 자기변태점(磁氣變態點)이라고도 한다. 이 온도에서는 일반적으로 큰 비열이 나타나며, 압력과는 거의 관계가 없다.

발생 원인[편집]

퀴리 온도 이상에서 상자성이 나타나는 이유는 원자의 열에너지가 자기 모멘트의 결합에너지와 같아져서 자기모멘트가 결합하지 못하기 때문이다. 자기 모멘트의 결합 에너지는 스핀을 같은 방향으로 정렬시키려고 하지만, 원자의 열 에너지는 정렬된 상태를 흐트려뜨리려 하므로, 두 에너지가 상반되는 효과를 나타낸다. 퀴리 온도는 이 두 에너지가 같아지는 임계 온도로, 이 이상의 온도에서는 열 에너지가 결합 에너지보다 더 커지기때문에 자기 모멘트가 정렬된 상태로 존재할 수 없다. 이 상황에서는 물체의 알짜 자화가 0이 되므로 강자성의 성질을 잃게 된다.

강자성 물질의 퀴리온도[편집]

이론적 유도[편집]

자기 (쌍극자)모멘트의 위치 에너지 U-\mathbf{m_o} \cdot \mathbf{B}으로 주어지는 것을 이용하여 자기 모멘트의 열평균을 구하면, 물질의 자화와 온도를 연관짓는 랑즈뱅 방정식을 도출할 수 있다.

|\mathbf{M}|=Nm_0[\coth{y} - \frac{1}{y}].

여기서 N는 단위 부피당 입자의 수이고, y는 자기 모멘트 m_o, 진공의 투자율 \mu_o, 미시적 H H_m, 볼츠만 상수 k, 온도 T에 대해

y=\frac{m_o\mu_oH_m}{kT}

로 정의된 값이다. 한편 미시적 H H_m는 물체 안에 작은 구를 잡고, 그 구의 중심에서 측정되는 H라고 할 수 있다. 따라서 미시적 H_m은 거시적 H와, 구 바로 바깥에 있는 입자들이 행사하는 H인 H_s, 그리고 구 안에 있는 입자들이 행사하는 H인 H'의 합으로 나타낼 수 있다. 즉,

\mathbf{H_m}=\mathbf{H}+\mathbf{H_s}+\mathbf{H'}

그런데 강자기성 물체에서는 측정점과 이웃하는 입자들과의 매우 강한 상호작용을 하므로, H_sH'M에 비례하는 값으로 대체할 수 있다:

\mathbf{H_m}=\mathbf{H}+\mathbf{\gamma M}

위 식을 거시적 H가 0인 경우에 y에 대입하면 아래와 같은 식을 얻을 수 있다.

y=\frac{m_o\mu_o\gamma M}{kT}
자화 M과 y의 그래프

이것으로 yM에 관한 식을 두 개 얻었으므로, 원점이 아닌 곳에서의 이들의 교점이 곧 두 식의 해가 된다. 그런데 그림에서 보이는 것과 같이, 높은 온도에서는 직선과 곡선의 교점이 원점 외에는 없는 것을 알 수 있다. 이 경우는 자발적 자화를 하지 않는 것으로 해석할 수 있다. 반면 낮은 온도에서는 원점 외의 점에서도 교점이 생기는데, 이로 미루어보아 원점에서 직선과 곡선의 기울기가 같아지는 온도가 두 상태의 임계온도인 "퀴리 온도"라고 할 수 있다. 랑즈뱅 방정식을 테일저 전개하여 1차 근사하면

|M|\sim \frac{Nm_o}{3}y

이 된다. 이 식의 기울기와 직선 식의 기울기가 같아지는 온도를 퀴리 온도라고 할 수 있다. 즉,

T_c=\frac{Nm_0^2\mu_0 \gamma}{3k}

\gamma는 물체마다 값이 다르며, 강자기성 물체의 경우 그 값이 거의 1000을 상회한다.[1]

실제값[편집]

아래는 각각 다른 물질에서의 다양한 퀴리 온도들이다.[2]

물질 퀴리 온도 (°C)
Iron (Fe) 770
Cobalt (Co) 1130
Nickel (Ni) 358
Iron Oxide (Fe2O3) 622

가돌리늄은 거의 실온인 19 °C 이하에서는 강자성을 띠지만, 그 이상에서는 강한 상자성을 나타낸다.[3]

응용[편집]

농업[편집]

벼에 해충이 많아 이를 박멸할 때 응용될 수 있다. 해충은 65℃가 되어야 죽고 벼는 그 이상으로 가열하면 변질되므로 정확하게 65℃까지만 가열해야 한다. 퀴리온도가 65℃인 강자성체 분말을 벼에 뿌린 다음 자기장을 가하면, 전자기유도현상으로 인해 분말에 전기가 생긴다. 그리고 전기저항에 흐르는 전류로 열이 발생하여 벼의 온도가 점점 올라간다. 65℃가 되면 자성을 잃어 전기가 발생하지 않기 때문에 더이상 온도가 올라가지 않는다.

지열 탐사[편집]

일반적인 암석의 퀴리온도는 550℃ 정도인데, 지각으로부터 30∼40㎞의 깊이에서 이 온도에 이른다. 이 성질을 이용하여 자력 탐사 자료로부터 지각 내 깊이를 계산하여 지열 탐사에 이용하기도 한다.

참고 문헌[편집]

  1. Foundation of Electromagnetic Theory, John R. Reitz, Fredrick J. Milford, Robert W. Christy, 4판, 262-265 쪽
  2. Buschow (2001), page 5021, table 1
  3. The Elements, Theodore Gray, Black Dog & Leventhal Publishers, 2009