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Magnetismus A - Z

[26] Curie-Temperatur

Die Curie-Temperatur ist eine stoffspezifische Temperatur, oberhalb derer sich die magnetischen Eigenschaften des Stoffes ändern. So wird Eisen nur unterhalb der spezifischen Curie-Temperatur von einem Magneten angezogen. Die Anziehungskraft verschwindet oberhalb der Curie-Temperatur vollständig. Sie ist benannt nach dem französischen Physiker Pierre Curie.
Als Curie-Temperatur 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.
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 zu Stande, 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 augerichtet. 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.
Die Abbildung zeigt schematisch die Ausrichtung der Elektronenspins in einem magnetisierten Ferromagneten bei steigender Temperatur. Zunächst bleiben die Elektronenspins in den Weißschen Bezirken parallel ausgerichtet. Oberhalb der Curie Temperatur überwindet jedoch die thermische Energie der Spins die Austauschwechselwirkung und die Magnetisierung geht verloren.
In einem Paramagneten sind die Elektronenspins statistisch orientiert, so lange 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 TC, also für T > TC durch das Curie-Weißsche Gesetz beschrieben werden.
Das Curie-Weißsche 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.

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