Temperatura de Curie

La temperatura de Curie\((T_C\)) es la temperatura por encima de la cual un material ferromagnético se convierte en paramagnético. La remanencia de un ferromagneto magnetizado también desaparece por encima de la temperatura de Curie. Este fenómeno fue descubierto por el físico francés Pierre Curie en 1895.

Para comprenderlo mejor, conviene explicar brevemente los fundamentos físicos de la remanencia. Si un ferromagneto se expone a un campo magnético externo, se produce la magnetización. El propio material se vuelve magnético y permanece en ese estado incluso cuando se apaga el campo magnético externo. Esta magnetización remanente se denomina «remanencia». La razón física de la existencia de la temperatura de Curie reside en la naturaleza del ferromagnetismo. El ferromagnetismo se debe a que los momentos magnéticos causados por el espín de los electrones se alinean y se estabilizan en un material cuando este se expone a un campo magnético externo.

Esta alineación es muy estable en los ferromagnetos debido a la interacción de intercambio entre los espines de los electrones. La interacción de intercambio impide que la alineación de los espines se pierda de nuevo debido al movimiento térmico a temperatura ambiente.

Sin embargo, a temperaturas más altas, el movimiento de los espines de los electrones se incrementa. En un principio, los espines permanecen alineados en paralelo en amplias áreas, los llamados «dominios de Weiss». Solo es posible que la alineación de los espines se desplace simultáneamente en un área mayor. Esto se conoce como «salto de Barkhausen». Así se forma un nuevo dominio de Weiss. Por encima de una temperatura característica, la temperatura de Curie, la energía cinética de los espines de los electrones (también denominada «energía térmica») supera la energía de la interacción de intercambio.

Esto hace que los espines de los electrones se mezclen y se pierda por completo la alineación paralela. Si la energía térmica de los espines de los electrones es mayor que la interacción de intercambio, la magnetización del material en un campo magnético externo es considerablemente menor que en un ferromagneto. Esto se denomina «paramagnetismo». La energía térmica de los espines de los electrones supera a la interacción de intercambio, la cual es característica de todo material, justo por encima de la temperatura de Curie. Por ello, la temperatura de Curie también es específica para cada material. Es de 769 °C para el hierro, de 1127 °C para el cobalto y de 358 °C para el níquel.

Comportamiento por encima de la temperatura de Curie

En un paramagneto, los espines de los electrones se orientan estáticamente mientras no haya un campo magnético externo. El material magnetizado vuelve a desmagnetizarse inmediatamente después de apagar el campo externo.

La susceptibilidad magnética χ del material y, por tanto, también la permeabilidad magnética µ de los paramagnetos por encima de la temperatura de Curie sigue dependiendo fuertemente de la temperatura. Cuanto mayor es esta, menos fácilmente pueden alinearse los espines por el campo externo y menos amplifica el campo magnético externo el material paramagnético.

La dependencia de la susceptibilidad magnética χ de la temperatura T puede describirse por encima de la temperatura de Curie_TC, es decir, para T > T_C, mediante la ley de Curie-Weiss.

La ley de Curie-Weiss reza tal que así:
\chi\(= \frac{C}{T-T_C}\),

donde C es la denominada «constante de Curie», la cual es también específica en cada material (dependiendo del tipo). Esta ley fue formulada por primera vez por el físico Pierre Curie en 1896 y ampliada posteriormente por el físico francés Pierre-Ernest Weiss en 1907.

Temperaturas de Curie de ciertos materiales ferromagnéticos

Tabla: Resumen de la temperatura de Curie de diferentes materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos según fuentes [1]-[4].

Material	Fórmula química	Temp. de Curie (K)	Temp. de Curie (°C)	Magnetismo
Cobalto	Co	1388	1115	Ferromagnético
Hierro	Fe	1043	770	Ferromagnético
Óxido de hierro(III)	Fe2O3	948	675	Ferrimagnético
Óxido de hierro y níquel	NiOFe2O3	858	585	Ferrimagnético
Óxido de cobre y hierro	CuOFe2O3	728	455	Ferrimagnético
Óxido de hierro y magnesio	MgOFe2O3	713	440	Ferrimagnético
Bismuto de manganeso	MnBi	630	357	Ferromagnético
Níquel	Ni	627	354	Ferromagnético
Neodimio-hierro-boro	Nd2Fe14B	593	320	Ferromagnético
Antimonuro de manganeso	MnSb	587	314	Ferromagnético
Óxido de hierro manganeso	MnOFe2O3	573	300	Ferrimagnético
Granate de hierro y itrio	Y3Fe5O12	560	287	Ferrimagnético
Óxido de cromo(IV)	CrO2	386	113	Ferrimagnético
Arseniuro de manganeso	MnAs	318	45	Ferromagnético
Gadolinio	Gd	292	19	Ferromagnético
Terbio	Tb	219	-54	Ferromagnético
Disprosio	Dy	88	-185	Ferromagnético
Óxido de europio (II)	EuO	69	-204	Ferromagnético

Fuentes:
[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 tabla muestra una selección de materiales que se pueden usar de diferentes maneras debido a sus interesantes propiedades magnéticas. El neodimio-hierro-boro se suele utilizar, p. ej., para imanes permanentes y presenta una temperatura de Curie de 320°C. Todos los materiales mencionados solo son ferro o ferrimagnéticos por debajo de la temperatura de Curie; por encima de esta, los materiales se vuelven paramagnéticos, ya que la interacción de intercambio de los espines de los electrones se rompe por el movimiento térmico.

En muchos materiales, las propiedades magnéticas exactas dependen sensiblemente de la composición específica y de las condiciones de fabricación. El MnAs, p. ej., es conocido por sus transiciones de fase y los cambios de propiedades magnéticas asociados, lo que lo convierte en un material interesante para aplicaciones de almacenamiento térmico y sensores. Las propiedades magnéticas exactas del MnAs, incluida su temperatura de Curie, dependen en gran medida de la estructura cristalina y la microestructura del material.