Curie-Temperatur

Die materialspezifische Curie-Temperatur ${\displaystyle T_{\rm {C}}}$ bzw. ${\displaystyle \vartheta _{\rm {C}}}$ (nach Pierre Curie) bezeichnet die Temperatur, bei deren Erreichen ferromagnetische bzw. ferroelektrische Eigenschaften eines Materials vollständig verschwunden sind, so dass sie oberhalb nur noch paramagnetisch bzw. paraelektrisch sind.

Auftreten

Die Curie-Temperatur markiert den reversiblen Phasenübergang ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Materialien in ihre paramagnetische Hochtemperaturform:

• Oberhalb der Curie-Temperatur verschwindet die (spontane oder gerichtete) Magnetisierung von Kristallbereichen
• Unterhalb dieser Temperatur erlangen die Werkstoffe ihre magnetischen Eigenschaften wieder zurück, d. h. ohne äußeres Magnetfeld zeigt sich eine spontane Magnetisierung der Weiss-Bezirke.

Materialien sind nur deutlich unterhalb ihrer Curie-Temperatur als Magnetwerkstoff einsetzbar.

Die Curie-Temperatur einiger typischer Magnetwerkstoffe ist:

Magnetwerkstoff	${\displaystyle \vartheta _{\rm {C}}}$	${\displaystyle T_{\rm {C}}}$
Cobalt	1121 °C	1394 K
Eisen	768 °C	1041 K
Nickel	360 °C	633 K
Gadolinium	19,3 °C	292,5 K[1]
Ferrite (je nach Zusammensetzung)	100…460 °C	370…730 K

Bei antiferromagnetischen Stoffen findet der entsprechende Phasenübergang bei der Néel-Temperatur ${\displaystyle T_{\text{N}}}$ statt.

Die Polarisierung eines Dauermagneten verschwindet schon deutlich unterhalb der Curie-Temperatur irreversibel, da eine makroskopisch einheitliche Orientierung der Weiss-Bezirke thermodynamisch instabil ist.

Ein analoges Verhalten zeigen auch polarisierte und unpolarisierte Ferroelektrika beim Erwärmen und Übergang zur paraelektrischen Phase. Das ist die Ursache der teilweise recht niedrigen Einsatztemperaturen ferroelektrischer Materialien für Kondensatoren und Piezo-Aktoren.

Verhalten oberhalb der Curie-Temperatur

Oberhalb der Curie-Temperatur lässt sich das magnetische Verhalten häufig durch ein Curie-Weiss-Gesetz beschreiben. Die paramagnetische bzw. dielektrische Suszeptibilität folgt in guter Näherung der Relation

${\displaystyle \chi ={\frac {C}{T-T_{\mathrm {C} }}}}$

mit der Curie-Konstanten ${\displaystyle C}$ .

Bedeutung und Anwendungen

Datenspeicherung

In magneto-optischen Speichermedien wird die magnetische Schicht durch einen Laser punktförmig bis zur Curie-Temperatur erhitzt, um die vorhandene Information zu löschen und neue Daten zu schreiben. Beim Abkühlen wird die Magnetisierung „eingefroren“.
Das Erhitzen herkömmlicher (nicht-magneto-optischer) Festplatten über die Curie-Temperatur hinaus gewährleistet eine vollständige Löschung der auf der Plattenoberfläche durch Remanenz gespeicherten Daten. Angewandt wird diese Technik aber meistens nur bei streng geheimen Daten.

Thermostat im „Magnastat“-Lötkolben

In der Stromzufuhr des Lötkolbens befindet sich ein Schalter, der im kalten Zustand durch einen an der Lötspitze befindlichen Dauermagneten geschlossen gehalten wird. Der Lötkolben wird durch einen Magnetschalter eingeschaltet. Sobald die Lötspitze heiß genug ist, verliert das ferromagnetische Material seinen Magnetismus und öffnet den magnetischen Kreis, d. h. das Magnetfeld kann den Schalter nicht mehr schließen. Der Strom bleibt unterbrochen, bis das Material bei Abkühlung wieder ferromagnetisch wird und den Schalter schließt.

Paläomagnetismus

Heiße, aus dem Erdinneren austretende Lava liegt in ihrer Temperatur über der Curie-Temperatur. Wenn sie erstarrt, „frieren“ auskristallisierende eisenhaltige Minerale das vorherrschende Magnetfeld ein. In der Regel ist das das natürliche Magnetfeld der Erde. Auf diese Weise können Schwankungen und Polumkehrungen im Verlauf der Erdgeschichte nachgewiesen werden.

Geophysik

Da im Erdinnern schnell Temperaturen erreicht werden, die über den Curie-Temperaturen liegen (Curie-Tiefe), kann das Magnetfeld der Erde nicht durch einen Permanentmagneten in der Erdmitte entstehen.

Ferritkerne

Ferritkerne, u. a. für Schaltnetzteil-Übertrager, zeigen etwas unterhalb der recht niedrigen Curie-Temperaturen eine starke Änderung der Permeabilitätszahl; sie steigt zunächst an, um bei weiter steigender Temperatur steil abzufallen. Diese Temperatur darf daher im Betrieb nicht erreicht werden. Oft besitzen die Kernverluste jedoch im Bereich um 100 °C ein Minimum, so dass eine weitere Erwärmung im Betrieb begrenzt wird.

Literatur

• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik, 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4
• Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik, 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München/Wien 1982 ISBN 3-446-13553-7
• Werner Schröter, Karl-Heinz Lautenschläger, Hildegard Bibrack: Taschenbuch der Chemie, 9. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 1981, ISBN 3-87144-308-5

Einzelnachweise

1. ↑ C. Rau, S. Eichner: Phys. Rev. B 34, 6347–6350 (1986)