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Température de Curie

Qu'est-ce que la température de Curie ?

La température de Curie est une température spécifique à un matériau, au-dessus de laquelle les propriétés magnétiques du matériau sont modifiées. Le fer, par exemple, n'est attiré par un aimant qu'en dessous de la température de Curie. Au-dessus de la température de Curie, la force d'attraction disparaît complètement. La température de Curie est de 769 °C pour le fer, de 1127 °C pour le cobalt et de 358 °C pour le nickel. Cette température a été nommée d'après le physicien français Pierre Curie.
Table des matières
On appelle température de Curie (\(T_C\)) la température au-dessus de laquelle un matériau ferromagnétique se transforme en un matériau paramagnétique. De même, la rémanence d'un ferro-aimant magnétisé disparaît au-dessus de la température de Curie. Ce phénomène a été découvert en 1895 par le physicien français Pierre Curie.

Pour comprendre cet effet, il est utile de revenir brièvement sur la base physique de la rémanence. Lorsqu'un ferro-aimant est exposé à un champ magnétique extérieur, il en résulte une magnétisation. Le matériau devient lui-même magnétique et le reste, même lorsque le champ magnétique extérieur est désactivé. Cette magnétisation résiduelle est appelée rémanence. La raison physique de l'existence de la température de Curie réside dans la nature du ferromagnétisme. Le ferromagnétisme est dû au fait que les moments magnétiques, induits par le spin électronique, sont alignés et stabilisés dans un matériau lorsque ce dernier est soumis à un champ magnétique externe.
En raison de l'interaction d'échange entre les spins des électrons, cet alignement est très stable dans les ferro-aimants. L'interaction d'échange empêche que l'alignement des spins ne soit à nouveau perdu par le mouvement thermique à température ambiante.
Cependant, à des températures plus élevées, le mouvement des spins des électrons augmente. Dans un premier temps, les spins restent alignés de manière parallèle sur de larges zones, appelées domaines de Weiss. Il est seulement possible que l'orientation des spins se déplace simultanément dans une zone plus large. On parle alors de l'effet de Barkhausen. Un nouveau domaine Weiss se forme alors. Au-dessus d'une température caractéristique, la température de Curie, l'énergie cinétique des spins des électrons (on parle aussi d'énergie thermique) dépasse alors l'énergie de l'interaction d'échange.
Les spins des électrons se mélangent alors et l'alignement parallèle est complètement perdu. Si l'énergie thermique des spins électroniques est supérieure à l'interaction d'échange, la magnétisation du matériau dans un champ magnétique extérieur est beaucoup plus faible qu'avec un ferro-aimant. On parle alors de paramagnétisme. L'énergie thermique des spins électroniques dépasse l'interaction d'échange, qui est caractéristique de chaque matériau, juste au-dessus de la température de Curie. C'est pourquoi la température de Curie est spécifique à chaque matériau. Elle est de 769 °C pour le fer, de 1127 °C pour le cobalt et de 358 °C pour le nickel.


La représentation montre que la magnétisation disparaît au-dessus de la température de Curie.
La figure montre de manière schématique l'alignement des spins des électrons dans un ferro-aimant magnétisé lorsque la température augmente. Dans un premier temps, les spins des électrons restent alignés parallèlement dans les domaines de Weiss. Cependant, au-dessus de la température de Curie, l'énergie thermique des spins dépasse l'interaction d'échange et l'aimantation disparaît.

Comportement au-dessus de la température de Curie

Dans un para-aimant, les spins des électrons sont orientés de manière statique tant qu'aucun champ magnétique extérieur n'est appliqué. Le matériau magnétisé se démagnétise alors immédiatement après la désactivation du champ extérieur.
Pour les para-aimants, la susceptibilité magnétique χ du matériau, et donc la perméabilité magnétique µ, reste fortement dépendantes de la température au-dessus de la température de Curie. Plus la température est élevée, plus les spins sont difficiles à aligner par le champ extérieur et moins le champ magnétique extérieur est renforcé par le matériau paramagnétique.
Au-dessus de la température de Curie, la dépendance de la susceptibilité magnétique χ par rapport à la température TC, donc pour T > TC peut être décrite par la loi de Curie-Weiß.

La loi de Curie-Weiss est la suivante :
\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\),

C étant ce que l'on appelle la constante de Curie. La constante de Curie est également spécifique au matériau (elle dépend du type de matériau). Cette loi a été formulée pour la première fois par le physicien Pierre Curie en 1896, puis affinée en 1907 par le physicien français Pierre-Ernest Weiss.

Températures de Curie de certains matériaux ferromagnétiques

Tableau : Récapitulatif de la température de Curie de différents matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques selon les sources [1]-[4].
Matériau Formule chimique Temp. Curie (K) Temp. Curie (°C) Magnétisme
Cobalt Co 1388 1115 Ferromagnétique
Fer Fe 1043 770 Ferromagnétique
Oxyde de fer(III) Fe2O3 948 675 Ferrimagnétique
Oxyde de nickel fer NiOFe2O3 858 585 Ferrimagnétique
Oxyde de cuivre fer CuOFe2O3 728 455 Ferrimagnétique
Oxyde de magnésium fer MgOFe2O3 713 440 Ferrimagnétique
Manganèse-bismuth MnBi 630 357 Ferromagnétique
Nickel Ni 627 354 Ferromagnétique
Neodyme-fer-bore Nd2Fe14B 593 320 Ferromagnétique
Antimonure de manganèse MnSb 587 314 Ferromagnétique
Oxyde de manganèse fer MnOFe2O3 573 300 Ferrimagnétique
Grenat d'yttrium fer Y3Fe5O12 560 287 Ferrimagnétique
Oxyde de chrome (IV) CrO2 386 113 Ferrimagnétique
Arséniure de manganèse MnAs 318 45 Ferromagnétique
Gadolinium Gd 292 19 Ferromagnétique
Terbium Tb 219 -54 Ferromagnétique
Dysprosium Dy 88 -185 Ferromagnétique
Oxyde d'europium (II) EuO 69 -204 Ferromagnétique

Sources :
[1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg : Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102e édition. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, p. 1682.
[2] C. Rau, S. Eichner : Evidence for ferromagnetic order at gadolinium surfaces above the bulk Curie temperature. Dans : Physical Review B. Band 34, n° 9, novembre 1986, pp. 6347 à 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

Le tableau présente une sélection de matériaux qui sont utilisées dans diverses applications en raison de leurs propriétés magnétiques intéressantes. Le néodyme-fer-bore, par exemple, est souvent utilisé pour les aimants permanents et présente une température de Curie de 320 °C. Tous les matériaux cités ne sont ferromagnétiques ou ferrimagnétiques qu'en dessous de la température de Curie, au-delà, les matériaux deviennent paramagnétiques, car l'interaction d'échange des spins des électrons est rompue par l'agitation thermique.
Pour de nombreux matériaux, les propriétés magnétiques exactes dépendent de manière sensible de leur composition spécifique et des conditions de fabrication. Le MnAs, par exemple, est connu pour ses transitions de phase et les changements de propriétés magnétiques qui en découlent, ce qui en fait un candidat intéressant pour les applications de stockage thermique ainsi que les capteurs. Les propriétés magnétiques exactes du MnAs, y compris sa température de Curie, dépendent fortement de la structure cristalline et de la microstructure du matériau.



Portrait du Dr Franz-Josef Schmitt
Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt


Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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