Temperatura di Curie

La temperatura di Curie (\(T_C\)) è la temperatura al di sopra della quale un materiale ferromagnetico si trasforma in un materiale paramagnetico. Al di sopra della temperatura di Curie scompare anche la rimanenza di un ferromagnete magnetizzato. Il fenomeno fu scoperto dal fisico francese Pierre Curie nel 1895.

Per comprendere questo effetto, è necessario spiegare brevemente le basi fisiche della rimanenza. Se un ferromagnete viene esposto a un campo magnetico esterno, si verifica una magnetizzazione. Il materiale stesso diventa magnetico e rimane tale anche quando il campo magnetico esterno viene spento. Questa magnetizzazione residua è chiamata rimanenza. La ragione fisica dell'esistenza della temperatura di Curie risiede nella natura del ferromagnetismo. Il ferromagnetismo si verifica perché i momenti magnetici causati dallo spin degli elettroni si allineano e si stabilizzano in un materiale quando questo è esposto a un campo magnetico esterno.

Questo allineamento è molto stabile nei ferromagneti grazie all'interazione di scambio tra gli spin degli elettroni. L'interazione di scambio impedisce che l'allineamento degli spin si perda nuovamente a causa del movimento termico a temperatura ambiente.

A temperature più elevate, tuttavia, il movimento degli spin degli elettroni aumenta. Inizialmente, gli spin rimangono paralleli su ampie aree, i cosiddetti domini di Weiss. È possibile che l'allineamento degli spin si sposti simultaneamente in un'area più ampia. Questo fenomeno è noto come salto di Barkhausen. Si forma un nuovo dominio di Weiss. Al di sopra di una temperatura caratteristica, la temperatura di Curie, l'energia cinetica degli spin degli elettroni (detta anche energia termica) supera l'energia dell'interazione di scambio.

In questo modo gli spin degli elettroni si mescolano e l'allineamento parallelo viene completamente perso. Se l'energia termica degli spin degli elettroni è maggiore dell'interazione di scambio, la magnetizzazione del materiale in un campo magnetico esterno è molto più piccola di quella di un ferromagnete. Si parla di paramagnetismo. L'energia termica degli spin degli elettroni supera l'interazione di scambio, caratteristica di ogni materiale, appena al di sopra della temperatura di Curie. Per questo motivo la temperatura di Curie è anche specifica del materiale. È di 769 °C per il ferro, 1127 °C per il cobalto e 358 °C per il nichel.

Comportamento al di sopra della temperatura di Curie

In un paramagnete, gli spin degli elettroni sono orientati in modo statico finché non è presente un campo magnetico esterno. Il materiale magnetizzato si smagnetizza di nuovo subito dopo la disattivazione del campo esterno.

La suscettibilità magnetica χ del materiale e quindi anche la permeabilità magnetica µ per i paramagneti al di sopra della temperatura di Curie è ancora fortemente dipendente dalla temperatura. Più alta è la temperatura, meno facilmente gli spin possono essere allineati dal campo esterno e meno il campo magnetico esterno viene amplificato dal materiale paramagnetico.

La dipendenza della suscettibilità magnetica χ dalla temperatura T può essere descritta al di sopra della temperatura di Curie T_C, cioè per T > T_C, dalla legge di Curie-Weiss.

La legge di Curie-Weiss prevede:
\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\),

dove C è la cosiddetta costante di Curie. La costante di Curie è anche specifica del materiale (dipende dal tipo di materiale). Questa legge è stata formulata per la prima volta dal fisico Pierre Curie nel 1896 e poi ulteriormente sviluppata dal fisico francese Pierre-Ernest Weiss nel 1907.

Temperature di Curie di alcuni materiali ferromagnetici

Tabella: panoramica della temperatura di Curie di vari materiali ferromagnetici e materiali ferrimagnetici secondo le fonti [1]-[4].

Materiale	Formula chimica	Temp. di Curie (K)	Temp. di Curie (°C)	Magnetismo
Cobalto	Co	1388	1115	Ferromagnetico
Ferro	Fe	1043	770	Ferromagnetico
Ferro(III)-oxid	Fe2O3	948	675	Ferrimagnetico
Ossido di nichel-ferro	NiOFe2O3	858	585	Ferrimagnetico
Ossido di rame-ferro	CuOFe2O3	728	455	Ferrimagnetico
Ossido di ferro-magnesio	MgOFe2O3	713	440	Ferrimagnetico
Manganese bismuto	MnBi	630	357	Ferromagnetico
Nichel	Ni	627	354	Ferromagnetico
Neodimio-ferro-boro	Nd2Fe14B	593	320	Ferromagnetico
Antimoniuro di manganese	MnSb	587	314	Ferromagnetico
Ossido di ferro-manganese	MnOFe2O3	573	300	Ferrimagnetico
Granato di ittrio-ferro	Y3Fe5O12	560	287	Ferrimagnetico
Ossido di cromo (IV)	CrO2	386	113	Ferrimagnetico
Arseniuro di manganese	MnAs	318	45	Ferromagnetico
Gadolinio	Gd	292	19	Ferromagnetico
Terbio	Tb	219	-54	Ferromagnetico
Disprosio	Dy	88	-185	Ferromagnetico
Ossido di europio (II)	EuO	69	-204	Ferromagnetico

Fonti:
[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

La tabella mostra una selezione di materiali che hanno diverse applicazioni interessanti grazie alle loro proprietà magnetiche. Il neodimio-ferro-boro, ad esempio, è spesso utilizzato per i magneti permanenti e ha una temperatura di Curie di 320 °C. Tutti i materiali citati sono ferromagnetici o ferrimagnetici solo al di sotto della temperatura di Curie; al di sopra di questa temperatura, i materiali diventano paramagnetici, poiché l'interazione di scambio degli spin degli elettroni viene annullata dal movimento termico.

Per molti materiali, le proprietà magnetiche esatte dipendono in modo sensibile dalla composizione specifica e dalle condizioni di produzione. L'MnAs, ad esempio, è noto per le sue transizioni di fase e per le variazioni di proprietà magnetiche ad esse associate, che lo rendono un candidato interessante per applicazioni di stoccaggio termico e sensori. Le esatte proprietà magnetiche dell'MnAs, compresa la sua temperatura di Curie, dipendono fortemente dalla struttura cristallina e dalla microstruttura del materiale.