Curietemperatuur

De temperatuur waarboven een ferromagnetische stof in een paramagnetischen stof overgaat, wordt de curietemperatuur (\(T_C\)) genoemd. Ook de remanentie van een gemagnetiseerde ferromagneet verdwijnt boven de curietemperatuur. Het fenomeen werd in 1895 door de Franse fysicus Pierre Curie ontdekt.

Om dit effect te kunnen begrijpen moet kort op de fysische basis van de remanentie worden ingaan. Wanneer een ferromagneet aan een extern magneetveld wordt blootgesteld, treedt magnetisatie op. Het materiaal wordt zelf magnetisch en blijft ook dan magnetisch, wanneer het externe magneetveld wordt uitgeschakeld. De resterende magnetisatie noemt men remanentie. De natuurkundige reden voor het bestaan van de curietemperatuur ligt in de aard van het ferromagnetisme. Ferromagnetisme komt daardoor tot stand, dat magnetische momenten, die door de elektronenspin worden veroorzaakt, binnen een materiaal worden uitgelijnd en gestabiliseerd, wanneer het materiaal aan een extern magneetveld wordt blootgesteld.

Deze uitlijning is in ferromagneten erg stabiel vanwege de uitwisselingsinteractie tussen de elektronenspins. De uitwisselingsinteractie verhindert, dat bij kamertemperatuur de uitlijning van de spins weer door de warmtebeweging verloren gaat.

Bij hogere temperaturen echter neemt de beweging van de elektronenspins toe. Eerst blijven de spins over grote gebieden, de zogenaamde gebieden van Weiss, parallel uitgelijnd. Het kan hoogstens zijn, dat zich de uitlijning van de spins in een groter gebied simultaan verschuift. Dit wordtBarkhauseneffect genoemd. Hierbij vormt zich een nieuw gebied van Weiss. Boven een karakteristieke temperatuur, de curietemperatuur, overtreft dan de bewegingsenergie van de elektronenspins (ook thermische energie genoemd) de energie van de uitwisselingsinteractie.

Daardoor vermengen zich de elektronenspins en de parallelle uitlijning gaat volledig verloren. Wanneer de thermische energie van de elektronenspins groter is dan de uitwisselingsinteractie, dan is de magnetisatie van de stof binnen een extern magneetveld beduidend kleiner dan bij een ferromagneet. Dit noemt men dan paramagnetisme. De thermische energie van de elektronenspins overtreft de uitwisselingsinteractie, die specifiek is voor elk materiaal, net boven de curietemperatuur. Daarom is ook de curietemperatuur specifiek voor elk materiaal. Hij ligt bij 769 °C voor ijzer, 1127 °C voor kobalt en 358 °C voor nikkel.

Gedrag boven de curietemperatuur

In een paramagneet zijn de elektronenspins statisch georiënteerd, zolang geen extern magneetveld aansluit. Het gemagnetiseerde materiaal verliest dan meteen na het uitschakelen van het externe veld weer zijn magnetisatie.

De magnetische susceptibiliteit χ van het materiaal en daarmee ook de magnetische permeabiliteit µ is voor paramagneten boven de curietemperatuur bovendien sterk temperatuurafhankelijk. Hoe hoger de temperatuur is, des te slechter kunnen de spins door het externe veld worden uitgelijnd en des te minder wordt het externe magneetveld door het paramagnetische materiaal versterkt.

De afhankelijkheid der magnetische susceptibiliteit χ van de temperatuur T kan boven de curietemperatuur T_C, dus voor T > T_C door de wet van Curie-Weiss worden beschreven.

De wet van Curie-Weiss luidt:
\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\),

waarbij C de zogenaamde constante van Curie is. Ook de constante van Curie is materiaalspecifiek (afhankelijk van het soort materiaal). Deze wet werd door de fysicus Pierre Curie in 1896 voor het eerst geformuleerd e daarna in 1907 door de Franse fysicus Pierre-Ernest Weiss verder ontwikkeld.

Curietemperaturen van bepaalde ferromagnetische materialen

Tabel: Overzicht over de curietemperatuur van verschillende voorkomende ferromagnetische en ferrimagnetische materialen volgens de bronnen [1]-[4].

Materiaal	Scheikundige formule	Curietemp. (K)	Curietemp. (°C)	Magnetisme
Kobalt	Co	1388	1115	Ferromagnetisch
IJzer	Fe	1043	770	Ferromagnetisch
IJzer(III)oxide	Fe2O3	948	675	Ferrimagnetisch
Nikkel-ijzeroxide	NiOFe2O3	858	585	Ferrimagnetisch
Koper-ijzeroxide	CuOFe2O3	728	455	Ferrimagnetisch
Magnesium-ijzeroxide	MgOFe2O3	713	440	Ferrimagnetisch
Mangaan-bismut	MnBi	630	357	Ferromagnetisch
Nikkel	Ni	627	354	Ferromagnetisch
Neodymium-ijzer-boor	Nd2Fe14B	593	320	Ferromagnetisch
Mangaan-antimonide	MnSb	587	314	Ferromagnetisch
Mangaan-ijzeroxide	MnOFe2O3	573	300	Ferrimagnetisch
Yttrium-ijzer-granaat	Y3Fe5O12	560	287	Ferrimagnetisch
Chroom(iv)oxide	CrO2	386	113	Ferrimagnetisch
Mangaan-arsenide	MnAs	318	45	Ferromagnetisch
Gadolinium	Gd	292	19	Ferromagnetisch
Terbium	Tb	219	-54	Ferromagnetisch
Dysprosium	Dy	88	-185	Ferromagnetisch
Europium(ii)oxide	EuO	69	-204	Ferromagnetisch

Bronnen:
[1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1682.
[2] C. Rau, S. Eichner: Evidence for ferromagnetic order at gadolinium surfaces above the bulk Curie temperature. In: Physical Review B. Band 34, Nr. 9, November 1986, S. 6347–6350, doi:10.1103/PhysRevB.34.6347
[3] C. Kittel: Introduction to Solid State Physics (sixth ed.). 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

De tabel laat een keus aan stoffen zien, die vanwege hun interessante magnetische eigenschappen voor verschillende interessante toepassingen worden gebruikt. Neodymium-ijzer-boor bijvoorbeeld wordt vaak voor permanente magneten gebruikt en vertoont een curietemperatuur van 320 °C. Alle genoemde materialen zijn alleen beneden de curietemperatuur ferro- of ferrimagnetisch, daarboven worden de materialen paramagnetisch, aangezien de uitwisselingsinteractie van de elektronenspins door de thermische beweging wordt tenietgedaan.

Voor veel materialen hangen de exacte magnetische eigenschappen nauwkeurig van hun specifieke samenstelling en van de productieomstandigheden af. MnAs bijvoorbeeld is bekend vanwege zijn faseovergangen en de hiermee verbonden verandering van zijn magnetische eigenschappen, waardoor het een interessante kandidaat is voor thermische opslagtoepassingen en sensoren. De precieze magnetische eigenschappen van MnAs, inclusief zijn curietemperatuur, hangen sterk af van de kristalstructuur en de microstructuur van het materiaal.