キュリー温度

キュリー温度：物質の性質を変える転移点

キュリー温度とは、物質の磁気的性質や電気的性質が大きく変化する転移温度です。強磁性体においては、この温度を超えると強磁性、つまり磁石としての性質を失い、常磁性へと変化します。一方、強誘電体では、自発分極という性質が消失し、常誘電体へと変化します。この温度は物質の種類によって異なり、それぞれの物質固有の物理的特性を示す重要な指標となっています。

強磁性体におけるキュリー温度

強磁性体では、キュリー温度以下では、磁気モーメントと呼ばれる小さな磁石のようなものが、物質内部で規則的に並んでいます。この規則的な配列が強磁性を生み出しています。しかし、温度が上昇しキュリー温度を超えると、熱エネルギーによってこの規則的な配列が乱れ、磁気モーメントがランダムな向きを向くようになります。結果として、物質全体としての磁化が消失し、常磁性という状態になります。常磁性状態では、外部磁場をかけた場合のみ磁化を示し、磁場を取り除くと磁化は消えます。

キュリー温度近傍では、磁化の変化は滑らかではなく、ある程度の温度幅で徐々に減少していきます。これは二次相転移と呼ばれる現象で、理論的にはキュリー温度で磁化率が無限大に発散するという特徴があります。この特異な挙動を説明するために、臨界指数といった概念が用いられています。

このキュリー温度の性質は、光磁気ディスク（MO）などの記録メディアのデータ消去や書き込みに利用されています。MO以外にも、かつてソニーが販売していたミニディスクや、CD-MOなどにも応用されていました。また、はんだごてなどの温度制御にも応用され、精密な温度管理が必要な場面で活用されています。

強誘電体におけるキュリー温度

強誘電体においても、キュリー温度は重要な役割を果たします。強誘電体は、自発分極という性質を持ち、物質内部に電気分極が生じています。この自発分極は、物質の結晶構造に起因しており、キュリー温度以上では結晶構造が変化し、自発分極が消失します。代表的な強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）は、キュリー温度以下では正方晶構造、キュリー温度以上では立方晶構造をとります。構造の変化に伴い、電気双極子モーメントも消失します。

キュリー・ワイスの法則

キュリー温度以上の常磁性領域では、磁化率χ（帯磁率）と絶対温度Tの間には、キュリー・ワイスの法則と呼ばれる関係が成り立ちます。この法則は、

χ = C / (T - θp)

と表されます。ここで、Cはキュリー定数、θpは常磁性キュリー温度（または常磁性キュリー点）と呼ばれる定数です。誘電体においても同様の法則が成り立ち、誘電率εと絶対温度Tの間には、

ε = C / (T - θp)

の関係が成り立ちます。このときのθpは常誘電性キュリー温度と呼ばれます。キュリー・ワイスの法則は、物質の磁気的性質や電気的性質を理解する上で重要な法則です。

まとめ

キュリー温度は、強磁性体や強誘電体の性質が変化する重要な転移温度であり、様々な分野で応用されています。キュリー・ワイスの法則は、キュリー温度以上の領域での物質の挙動を記述する重要な法則です。これらの概念は、物質科学や物理学において重要な役割を果たしています。

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