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Temperatura de Curie

¿Qué es la temperatura de Curie?

La temperatura de Curie es una temperatura específica de un material por encima de la cual cambian sus propiedades magnéticas. El hierro, p. ej., solo se ve atraído por un imán por debajo de la temperatura de Curie específica. La fuerza de atracción desaparece por completo por encima de la temperatura de Curie. La temperatura de Curie es de 769 °C para el hierro, 1127 °C para el cobalto y 358 °C para el níquel. Esta temperatura debe su nombre al físico francés Pierre Curie.
Índice
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.


La ilustración muestra que la magnetización se pierde por encima de la temperatura de Curie
La figura muestra de manera esquemática la alineación de los espines de los electrones en un ferromagneto magnetizado a medida que aumenta la temperatura. En un principio, los espines de los electrones en los dominios de Weiss permanecen alineados en paralelo. Sin embargo, por encima de la temperatura de Curie, la energía térmica de los espines supera a la interacción de intercambio y se pierde la magnetización.

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 CurieTC, es decir, para T > TC, 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.



Retrato del Dr. Franz-Josef Schmitt
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt


El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.

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