Curie-Temperatur

Der Begriff geht auf den französischen Physiker Pierre Curie, zurück, der den Zusammenhang zwischen Magnetismus und Temperatur systematisch untersuchte.

Physikalisch handelt es sich dabei um einen Phasenübergang, bei dem die spontane Magnetisierung vollständig verschwindet. Die genaue Temperatur dieses Übergangs ist materialspezifisch: Für Eisen liegt sie bei etwa 1043 K (770 °C), für Nickel bei ca. 627 K (354 °C) und für Cobalt bei ca. 1388 K (1115 °C). Auch bei ferroelektrischen Materialien, die eine spontane elektrische Polarisation aufweisen, existiert eine analoge Curie-Temperatur, oberhalb derer diese Polarisation verloren geht.

Curie-Weiss-Gesetz

Die magnetischen Eigenschaften oberhalb und unterhalb der Curie-Temperatur beschreibt das Curie-Weiss-Gesetz:

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

wobei:

• ${\displaystyle \chi }$ = magnetische Suszeptibilität
• ${\displaystyle C}$ = Curie-Konstante (materialspezifisch)
• ${\displaystyle T}$ = Temperatur in Kelvin
• ${\displaystyle T_{\mathrm {C} }}$ = Curie-Temperatur

Das Curie-Weiss-Gesetz beschreibt, dass Materialien oberhalb der Curie-Temperatur paramagnetisch reagieren und keine dauerhafte Magnetisierung behalten. Die Curie-Temperatur markiert den Punkt, an dem die spontane magnetische Ordnung verschwindet und trennt zwei magnetische Phasen. Die Molekularfeldtheorie von Pierre Weiss erklärt, dass ein internes Magnetfeld die parallele Ausrichtung der magnetischen Momente fördert. Unterhalb von T_C​ entsteht spontane Magnetisierung. Oberhalb sind die Spins thermisch ungeordnet, die Magnetisierung bleibt temperaturabhängig.

In der Werkstoffwissenschaft spielt die Curie-Temperatur eine zentrale Rolle, insbesondere bei der Entwicklung und Anwendung von Permanentmagneten. Magnetwerkstoffe verlieren ihre Wirksamkeit, wenn sie im Betrieb Temperaturen erreichen, die in der Nähe ihrer Curie-Temperatur liegen. Daher ist die Kenntnis dieses Werts essenziell für die Auslegung von Elektromotoren, Sensoren, Magnetventilen und anderen Geräten, die thermischer Belastung ausgesetzt sind. Auch in der Geophysik besitzt die Curie-Temperatur große Bedeutung: Minerale wie Magnetit (Fe₃O₄) verlieren oberhalb von etwa 580 °C ihre Remanenzmagnetisierung. Bei Hämatit (Fe₂O₃) liegt der Ordnungs­übergang bei ca. 675 °C, hängt aber stark von Kristall­form und Zusammensetzung ab.

Diese Eigenschaft wird genutzt, um die sogenannte Curie-Tiefe in der Erdkruste zu bestimmen – also die Grenzschicht, unterhalb derer Gesteine keine permanente Magnetisierung mehr aufweisen.

Medizinische Forschung und Bildgebungsverfahren nutzen die Curie-Temperatur gezielt. Materialien mit niedrigem Curie-Punkt, z.B. nahe der Körpertemperatur oder leicht darunter, dienen in der Magnetresonanztomographie zur temperaturabhängigen Kontrastverstärkung.

Magnetische Nanopartikel für die Hyperthermie-Therapie gegen Tumoren werden unter Berücksichtigung des Curie-Punkts entwickelt, um maximale Erwärmung und Stabilität zu sichern. Der Verlust magnetischer Eigenschaften bei Überschreiten des Curie-Punkts kann die Funktion von Implantaten, Sensoren und medizinischen Geräten beeinträchtigen. Kenntnisse zur thermischen Stabilität sind für Biokompatibilität und Sicherheit essenziell, insbesondere bei Einwirkung elektromagnetischer Felder oder Laserstrahlung.