Température de Curie
Qu'est-ce que la température de Curie ?
La température de Curie est une température spécifique à un matériau, au-dessus de laquelle les propriétés magnétiques du matériau sont modifiées. Le fer, par exemple, n'est attiré par un aimant qu'en dessous de la température de Curie. Au-dessus de la température de Curie, la force d'attraction disparaît complètement. La température de Curie est de 769 °C pour le fer, de 1127 °C pour le cobalt et de 358 °C pour le nickel. Cette température a été nommée d'après le physicien français Pierre Curie.Table des matières
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 TC,
donc pour T >
TC
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
[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.
Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.
Dr Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.
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