Curie-Temperatur

Als Curie-Temperatur (\(T_C\)) wird diejenige Temperatur bezeichnet, oberhalb derer ein ferromagnetischer Stoff in einen paramagnetischen Stoff übergeht. Auch die Remanenz eines magnetisierten Ferromagneten verschwindet oberhalb der Curie-Temperatur. Das Phänomen wurde 1895 vom französischen Physiker Pierre Curie entdeckt.

Zum Verständnis dieses Effektes sollte man kurz auf die physikalische Grundlage der Remanenz eingehen. Wird ein Ferromagnet einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt, so kommt es zur Magnetisierung. Das Material wird selbst magnetisch und bleibt auch magnetisch, wenn das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird. Diese verbleibende Magnetisierung nennt man Remanenz. Der physikalische Grund für die Existenz der Curie-Temperatur liegt in der Natur des Ferromagnetismus. Ferromagnetismus kommt dadurch zustande, dass magnetische Momente, welche durch den Elektronenspin verursacht werden, in einem Material ausgerichtet und stabilisiert werden, wenn das Material einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt wird.

Diese Ausrichtung ist in Ferromagneten aufgrund der Austauschwechselwirkung zwischen den Elektronenspins sehr stabil. Die Austauschwechselwirkung verhindert, dass die Ausrichtung der Spins durch die Wärmebewegung bei Raumtemperatur wieder verloren geht.

Bei höheren Temperaturen nimmt jedoch die Bewegung der Elektronenspins zu. Zunächst bleiben die Spins über weite Bereiche, die sogenannten Weißschen Bezirke, parallel ausgerichtet. Es kann lediglich sein, dass sich die Ausrichtung der Spins in einem größeren Bereich simultan verschiebt. Dies wird als Barkhausen-Sprung bezeichnet. Dabei bildet sich ein neuer Weißscher Bezirk. Oberhalb einer charakteristischen Temperatur, der Curie-Temperatur, übersteigt dann die Bewegungsenergie der Elektronenspins (man spricht auch von thermischer Energie) die Energie der Austauschwechselwirkung.

Dadurch durchmischen sich die Elektronenspins und die parallele Ausrichtung geht völlig verloren. Ist die thermische Energie der Elektronenspins größer als die Austauschwechselwirkung, so ist die Magnetisierung des Stoffes in einem äußeren Magnetfeld wesentlich kleiner als bei einem Ferromagneten. Man spricht dann von Paramagnetismus. Die thermische Energie der Elektronenspins übersteigt die Austauschwechselwirkung, welche charakteristisch für jedes Material ist, gerade oberhalb der Curie-Temperatur. Deshalb ist auch die Curie-Temperatur materialspezifisch. Sie liegt bei 769 °C für Eisen, 1127 °C für Kobalt und 358 °C für Nickel.

Verhalten oberhalb der Curie-Temperatur

In einem Paramagneten sind die Elektronenspins statisch orientiert, solange kein äußeres Magnetfeld anliegt. Das magnetisierte Material entmagnetisiert dann sofort nach Abschalten des äußeren Feldes wieder.

Die magnetische Suszeptibilität χ des Materials und damit auch die magnetische Permeabilität µ ist für Paramagnete oberhalb der Curie-Temperatur weiterhin stark temperaturabhängig. Je größer die Temperatur ist, desto schlechter lassen sich die Spins durch das äußere Feld ausrichten und desto weniger wird das äußere Magnetfeld durch das paramagnetische Material verstärkt.

Die Abhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität χ von der Temperatur T kann oberhalb der Curie-Temperatur T_C, also für T > T_C durch das Curie-Weißsche Gesetz beschrieben werden.

Das Curie-Weiss-Gesetz lautet:
\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\),

wobei C die sogenannte Curie-Konstante ist. Auch die Curie-Konstante ist materialspezifisch (abhängig von der Art des Materials). Dieses Gesetz wurde von dem Physiker Pierre Curie 1896 erstmalig formuliert und dann 1907 von dem französischen Physiker Pierre-Ernest Weiss weiterentwickelt.

Curie-Temperaturen bestimmter ferromagnetischer Materialien

Tabelle: Übersicht über die Curie-Temperatur verschiedener vorkommender ferromagnetischer und ferrimagnetischer Materialien nach Quellen [1]-[4].

Material	Chemische Formel	Curie temp. (K)	Curie temp. (°C)	Magnetismus
Kobalt	Co	1388	1115	Ferromagnetisch
Eisen	Fe	1043	770	Ferromagnetisch
Eisen(III)-oxid	Fe2O3	948	675	Ferrimagnetisch
Nickel-Eisenoxid	NiOFe2O3	858	585	Ferrimagnetisch
Kupfer-Eisenoxid	CuOFe2O3	728	455	Ferrimagnetisch
Magnesium-Eisenoxid	MgOFe2O3	713	440	Ferrimagnetisch
Mangan-Bismut	MnBi	630	357	Ferromagnetisch
Nickel	Ni	627	354	Ferromagnetisch
Neodym-Eisen-Bor	Nd2Fe14B	593	320	Ferromagnetisch
Mangan-Antimonid	MnSb	587	314	Ferromagnetisch
Mangan-Eisenoxid	MnOFe2O3	573	300	Ferrimagnetisch
Yttrium-Eisen-Granat	Y3Fe5O12	560	287	Ferrimagnetisch
Chrom(IV)-oxid	CrO2	386	113	Ferrimagnetisch
Mangan-Arsenid	MnAs	318	45	Ferromagnetisch
Gadolinium	Gd	292	19	Ferromagnetisch
Terbium	Tb	219	-54	Ferromagnetisch
Dysprosium	Dy	88	-185	Ferromagnetisch
Europium(II)-oxid	EuO	69	-204	Ferromagnetisch

Quellen:
[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

Die Tabelle zeigt eine Auswahl an Stoffen, die aufgrund ihrer interessanten magnetischen Eigenschaften verschiedene interessante Anwendungen finden. Neodym-Eisen-Bor beispielsweise wird häufig für Permanentmagnete eingesetzt und zeigt eine Curie-Temperatur von 320 °C. Alle genannten Materialien sind nur unterhalb der Curie-Temperatur ferro- oder ferrimagnetisch, darüber werden die Materialien paramagnetisch, da die Austauschwechselwirkung der Elektronenspins durch die thermische Bewegung aufgebrochen wird.

Für viele Materialien hängen die exakten magnetischen Eigenschaften sensibel von der spezifischen Zusammensetzung und den Herstellungsbedingungen ab. MnAs beispielsweise ist für seine Phasenübergänge und die damit verbundenen magnetischen Eigenschaftsänderungen bekannt, was es zu einem interessanten Kandidaten für thermische Speicheranwendungen und Sensoren macht. Die genauen magnetischen Eigenschaften von MnAs, einschließlich seiner Curie-Temperatur, hängen stark von der Kristallstruktur und der Mikrostruktur des Materials ab.