Température de Curie

On appelle température de Curie (\(T_C\)) la température au-dessus de laquelle un matériau ferromagnétique se transforme en un matériau paramagnétique. De même, la rémanence d'un ferro-aimant magnétisé disparaît au-dessus de la température de Curie. Ce phénomène a été découvert en 1895 par le physicien français Pierre Curie.

Pour comprendre cet effet, il est utile de revenir brièvement sur la base physique de la rémanence. Lorsqu'un ferro-aimant est exposé à un champ magnétique extérieur, il en résulte une magnétisation. Le matériau devient lui-même magnétique et le reste, même lorsque le champ magnétique extérieur est désactivé. Cette magnétisation résiduelle est appelée rémanence. La raison physique de l'existence de la température de Curie réside dans la nature du ferromagnétisme. Le ferromagnétisme est dû au fait que les moments magnétiques, induits par le spin électronique, sont alignés et stabilisés dans un matériau lorsque ce dernier est soumis à un champ magnétique externe.

En raison de l'interaction d'échange entre les spins des électrons, cet alignement est très stable dans les ferro-aimants. L'interaction d'échange empêche que l'alignement des spins ne soit à nouveau perdu par le mouvement thermique à température ambiante.

Cependant, à des températures plus élevées, le mouvement des spins des électrons augmente. Dans un premier temps, les spins restent alignés de manière parallèle sur de larges zones, appelées domaines de Weiss. Il est seulement possible que l'orientation des spins se déplace simultanément dans une zone plus large. On parle alors de l'effet de Barkhausen. Un nouveau domaine Weiss se forme alors. Au-dessus d'une température caractéristique, la température de Curie, l'énergie cinétique des spins des électrons (on parle aussi d'énergie thermique) dépasse alors l'énergie de l'interaction d'échange.

Les spins des électrons se mélangent alors et l'alignement parallèle est complètement perdu. Si l'énergie thermique des spins électroniques est supérieure à l'interaction d'échange, la magnétisation du matériau dans un champ magnétique extérieur est beaucoup plus faible qu'avec un ferro-aimant. On parle alors de paramagnétisme. L'énergie thermique des spins électroniques dépasse l'interaction d'échange, qui est caractéristique de chaque matériau, juste au-dessus de la température de Curie. C'est pourquoi la température de Curie est spécifique à chaque matériau. Elle est de 769 °C pour le fer, de 1127 °C pour le cobalt et de 358 °C pour le nickel.

Comportement au-dessus de la température de Curie

Dans un para-aimant, les spins des électrons sont orientés de manière statique tant qu'aucun champ magnétique extérieur n'est appliqué. Le matériau magnétisé se démagnétise alors immédiatement après la désactivation du champ extérieur.

Pour les para-aimants, la susceptibilité magnétique χ du matériau, et donc la perméabilité magnétique µ, reste fortement dépendantes de la température au-dessus de la température de Curie. Plus la température est élevée, plus les spins sont difficiles à aligner par le champ extérieur et moins le champ magnétique extérieur est renforcé par le matériau paramagnétique.

Au-dessus de la température de Curie, la dépendance de la susceptibilité magnétique χ par rapport à la température T_C, donc pour T > T_C peut être décrite par la loi de Curie-Weiß.

La loi de Curie-Weiss est la suivante :
\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\),

C étant ce que l'on appelle la constante de Curie. La constante de Curie est également spécifique au matériau (elle dépend du type de matériau). Cette loi a été formulée pour la première fois par le physicien Pierre Curie en 1896, puis affinée en 1907 par le physicien français Pierre-Ernest Weiss.

Températures de Curie de certains matériaux ferromagnétiques

Tableau : Récapitulatif de la température de Curie de différents matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques selon les sources [1]-[4].

Matériau	Formule chimique	Temp. Curie (K)	Temp. Curie (°C)	Magnétisme
Cobalt	Co	1388	1115	Ferromagnétique
Fer	Fe	1043	770	Ferromagnétique
Oxyde de fer(III)	Fe2O3	948	675	Ferrimagnétique
Oxyde de nickel fer	NiOFe2O3	858	585	Ferrimagnétique
Oxyde de cuivre fer	CuOFe2O3	728	455	Ferrimagnétique
Oxyde de magnésium fer	MgOFe2O3	713	440	Ferrimagnétique
Manganèse-bismuth	MnBi	630	357	Ferromagnétique
Nickel	Ni	627	354	Ferromagnétique
Neodyme-fer-bore	Nd2Fe14B	593	320	Ferromagnétique
Antimonure de manganèse	MnSb	587	314	Ferromagnétique
Oxyde de manganèse fer	MnOFe2O3	573	300	Ferrimagnétique
Grenat d'yttrium fer	Y3Fe5O12	560	287	Ferrimagnétique
Oxyde de chrome (IV)	CrO2	386	113	Ferrimagnétique
Arséniure de manganèse	MnAs	318	45	Ferromagnétique
Gadolinium	Gd	292	19	Ferromagnétique
Terbium	Tb	219	-54	Ferromagnétique
Dysprosium	Dy	88	-185	Ferromagnétique
Oxyde d'europium (II)	EuO	69	-204	Ferromagnétique

Sources :
[1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg : Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102e édition. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, p. 1682.
[2] C. Rau, S. Eichner : Evidence for ferromagnetic order at gadolinium surfaces above the bulk Curie temperature. Dans : Physical Review B. Band 34, n° 9, novembre 1986, pp. 6347 à 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

Le tableau présente une sélection de matériaux qui sont utilisées dans diverses applications en raison de leurs propriétés magnétiques intéressantes. Le néodyme-fer-bore, par exemple, est souvent utilisé pour les aimants permanents et présente une température de Curie de 320 °C. Tous les matériaux cités ne sont ferromagnétiques ou ferrimagnétiques qu'en dessous de la température de Curie, au-delà, les matériaux deviennent paramagnétiques, car l'interaction d'échange des spins des électrons est rompue par l'agitation thermique.

Pour de nombreux matériaux, les propriétés magnétiques exactes dépendent de manière sensible de leur composition spécifique et des conditions de fabrication. Le MnAs, par exemple, est connu pour ses transitions de phase et les changements de propriétés magnétiques qui en découlent, ce qui en fait un candidat intéressant pour les applications de stockage thermique ainsi que les capteurs. Les propriétés magnétiques exactes du MnAs, y compris sa température de Curie, dépendent fortement de la structure cristalline et de la microstructure du matériau.