Temperatura de Curie
Temperatura por encima de la cual cambian las propiedades magnéticas

En física y ciencia de los materiales , la temperatura de Curie ( T C ), o punto de Curie , es la temperatura por encima de la cual ciertos materiales pierden sus propiedades magnéticas permanentes , que pueden (en la mayoría de los casos) ser reemplazadas por magnetismo inducido . La temperatura de Curie recibe su nombre de Pierre Curie , quien demostró que el magnetismo se pierde a una temperatura crítica. [1]

La fuerza del magnetismo está determinada por el momento magnético , un momento dipolar dentro de un átomo que se origina a partir del momento angular y el giro de los electrones. Los materiales tienen diferentes estructuras de momentos magnéticos intrínsecos que dependen de la temperatura; la temperatura de Curie es el punto crítico en el que los momentos magnéticos intrínsecos de un material cambian de dirección.

El magnetismo permanente es causado por la alineación de los momentos magnéticos, y el magnetismo inducido se crea cuando los momentos magnéticos desordenados se ven obligados a alinearse en un campo magnético aplicado. Por ejemplo, los momentos magnéticos ordenados ( ferromagnéticos , Figura 1) cambian y se desordenan ( paramagnéticos , Figura 2) a la temperatura de Curie. Las temperaturas más altas hacen que los imanes sean más débiles, ya que el magnetismo espontáneo solo ocurre por debajo de la temperatura de Curie. La susceptibilidad magnética por encima de la temperatura de Curie se puede calcular a partir de la ley de Curie-Weiss , que se deriva de la ley de Curie .

En analogía con los materiales ferromagnéticos y paramagnéticos, la temperatura de Curie también se puede utilizar para describir la transición de fase entre la ferroelectricidad y la paraelectricidad . En este contexto, el parámetro de orden es la polarización eléctrica que pasa de un valor finito a cero cuando la temperatura aumenta por encima de la temperatura de Curie.

Temperaturas de Curie de los materiales

Los puntos de Curie de diversos materiales [2] [3] [4]
MaterialTemperatura de Curie en
K°C°F
Hierro (Fe)1043–16647701418
Cobalto (Co)140011302060
Níquel (Ni)627354669
Gadolinio (Gd)293.2 [5]20.168.1
Disprosio (Dy)88−185,2-301,3
Bismuto de manganeso (MnBi)630357674
Antimonuro de manganeso (Mn Sb )587314597
Óxido de cromo (IV) (CrO 2 )386113235
Arseniuro de manganeso (Mn As )31845113
Óxido de europio (II) (EuO)69-204,2−335,5
Óxido de hierro (III) (Fe 2 O 3 )9486751247
Óxido de hierro (II,III) (FeOFe 2 O 3 )8585851085
NiO – Fe2O3​8585851085
CuO – Fe2O3​​728455851
MgO – Fe2O3​713440824
MnO – Fe2O3​573300572
Granate de hierro e itrio ( Y3Fe5O12 )560287548
Imanes de neodimio583–673310–400590–752
Álnico973–1133700–8601292–1580
Imanes de samario y cobalto993–1073720–8001328–1472
Ferrita de estroncio723450842

Historia

Que el calentamiento destruye el magnetismo ya fue descrito en De Magnete (1600):

Las limaduras de hierro, después de calentarlas durante mucho tiempo, son atraídas por un imán, aunque no con tanta fuerza ni desde tan gran distancia como cuando no se calientan. Un imán pierde parte de su virtud si se calienta demasiado, pues su humor se libera, lo que estropea su naturaleza peculiar. (Libro 2, Capítulo 23).

Momentos magnéticos

A nivel atómico, hay dos factores que contribuyen al momento magnético : el momento magnético del electrón y el momento magnético nuclear . De estos dos términos, el momento magnético del electrón predomina y el momento magnético nuclear es insignificante. A temperaturas más altas, los electrones tienen mayor energía térmica. Esto tiene un efecto aleatorio en los dominios magnéticos alineados, lo que conduce a la alteración del orden y al fenómeno del punto de Curie. [6] [7]

Los materiales ferromagnéticos , paramagnéticos , ferromagnéticos y antiferromagnéticos tienen diferentes estructuras de momento magnético intrínseco. A la temperatura de Curie específica de un material ( T C ), estas propiedades cambian. La transición de antiferromagnético a paramagnético (o viceversa) ocurre a la temperatura de Néel ( T N ), que es análoga a la temperatura de Curie.

Abajo T CPor encima de T C
Ferromagnético↔ Paramagnético
Ferrimagnético↔ Paramagnético
Por debajo de T NPor encima de T N
Antiferromagnético↔ Paramagnético
  • Orientaciones de momentos magnéticos en materiales
  • Ferromagnetismo: Los momentos magnéticos en un material ferromagnético están ordenados y son de la misma magnitud en ausencia de un campo magnético aplicado.
    Ferromagnetismo : Los momentos magnéticos en un material ferromagnético están ordenados y son de la misma magnitud en ausencia de un campo magnético aplicado.
  • Paramagnetismo: Los momentos magnéticos en un material paramagnético están desordenados en ausencia de un campo magnético aplicado y ordenados en presencia de un campo magnético aplicado.
    Paramagnetismo : Los momentos magnéticos en un material paramagnético están desordenados en ausencia de un campo magnético aplicado y ordenados en presencia de un campo magnético aplicado.
  • Ferrimagnetismo: Los momentos magnéticos en un material ferromagnético tienen magnitudes diferentes (debido a que el cristal contiene dos tipos diferentes de iones magnéticos[aclaración necesaria]) que están alineados de manera opuesta en ausencia de un campo magnético aplicado.
    Ferrimagnetismo : Los momentos magnéticos en un material ferromagnético tienen magnitudes diferentes (debido a que el cristal contiene dos tipos diferentes de iones magnéticos [ aclaración necesaria ] ) que están alineados de manera opuesta en ausencia de un campo magnético aplicado.
  • Antiferromagnetismo: Los momentos magnéticos en un material antiferromagnético tienen las mismas magnitudes pero están alineados de manera opuesta en ausencia de un campo magnético aplicado.
    Antiferromagnetismo : Los momentos magnéticos en un material antiferromagnético tienen las mismas magnitudes pero están alineados de manera opuesta en ausencia de un campo magnético aplicado.

Materiales con momentos magnéticos que cambian sus propiedades a la temperatura de Curie

Las estructuras ferromagnéticas, paramagnéticas, ferromagnéticas y antiferromagnéticas están formadas por momentos magnéticos intrínsecos. Si todos los electrones dentro de la estructura están emparejados, estos momentos se cancelan debido a sus espines y momentos angulares opuestos. Por lo tanto, incluso con un campo magnético aplicado, estos materiales tienen propiedades diferentes y no tienen temperatura de Curie. [8] [9]

Paramagnético

Un material es paramagnético sólo por encima de su temperatura de Curie. Los materiales paramagnéticos son no magnéticos cuando no hay campo magnético y magnéticos cuando se aplica un campo magnético. Cuando no hay campo magnético, el material tiene momentos magnéticos desordenados; es decir, los momentos magnéticos son asimétricos y no están alineados. Cuando hay un campo magnético presente, los momentos magnéticos se realinean temporalmente en paralelo al campo aplicado; [10] [11] los momentos magnéticos son simétricos y están alineados. [12] Los momentos magnéticos que están alineados en la misma dirección son lo que causa un campo magnético inducido. [12] [13]

Para el paramagnetismo, esta respuesta a un campo magnético aplicado es positiva y se conoce como susceptibilidad magnética . [8] La susceptibilidad magnética solo se aplica por encima de la temperatura de Curie para estados desordenados. [14]

Las fuentes de paramagnetismo (materiales que tienen temperaturas de Curie) incluyen: [15]

  • Todos los átomos que tienen electrones desapareados;
  • Átomos que tienen capas internas incompletas en electrones;
  • Radicales libres ;
  • Rieles.

Por encima de la temperatura de Curie, los átomos se excitan y las orientaciones de espín se vuelven aleatorias [9] pero se pueden realinear mediante un campo aplicado, es decir, el material se vuelve paramagnético. Por debajo de la temperatura de Curie, la estructura intrínseca ha experimentado una transición de fase , [16] los átomos están ordenados y el material es ferromagnético. [12] Los campos magnéticos inducidos de los materiales paramagnéticos son muy débiles en comparación con los campos magnéticos de los materiales ferromagnéticos. [16]

Ferromagnético

Los materiales son ferromagnéticos únicamente por debajo de sus correspondientes temperaturas de Curie. Los materiales ferromagnéticos son magnéticos en ausencia de un campo magnético aplicado.

Cuando no hay campo magnético, el material tiene magnetización espontánea , que es resultado de los momentos magnéticos ordenados; es decir, para el ferromagnetismo, los átomos son simétricos y están alineados en la misma dirección creando un campo magnético permanente.

Las interacciones magnéticas se mantienen unidas por interacciones de intercambio ; de lo contrario, el desorden térmico superaría las interacciones débiles de los momentos magnéticos. La interacción de intercambio tiene una probabilidad cero de que los electrones paralelos ocupen el mismo punto en el tiempo, lo que implica una alineación paralela preferida en el material. [17] El factor de Boltzmann contribuye en gran medida, ya que prefiere que las partículas interactuantes se alineen en la misma dirección. [18] Esto hace que los ferroimanes tengan campos magnéticos fuertes y altas temperaturas de Curie de alrededor de 1000 K (730 °C). [19]

Por debajo de la temperatura de Curie, los átomos están alineados y en paralelo, lo que provoca magnetismo espontáneo; el material es ferromagnético. Por encima de la temperatura de Curie, el material es paramagnético, ya que los átomos pierden sus momentos magnéticos ordenados cuando el material experimenta una transición de fase. [16]

Ferrimagnético

Los materiales sólo son ferromagnéticos por debajo de su temperatura de Curie correspondiente. Los materiales ferromagnéticos son magnéticos en ausencia de un campo magnético aplicado y están compuestos de dos iones diferentes . [20]

Cuando no hay campo magnético, el material tiene un magnetismo espontáneo que es el resultado de momentos magnéticos ordenados; es decir, para el ferrimagnetismo, los momentos magnéticos de un ion [ aclaración necesaria ] están alineados mirando en una dirección con cierta magnitud y los momentos magnéticos del otro ion están alineados mirando en la dirección opuesta con una magnitud diferente. Como los momentos magnéticos son de magnitudes diferentes en direcciones opuestas, sigue habiendo un magnetismo espontáneo y está presente un campo magnético. [20]

De manera similar a los materiales ferromagnéticos, las interacciones magnéticas se mantienen unidas mediante interacciones de intercambio. Sin embargo, las orientaciones de los momentos son antiparalelas, lo que da como resultado un momento neto al restarse el momento de uno del otro. [20]

Por debajo de la temperatura de Curie, los átomos de cada ion están alineados en sentido antiparalelo con diferentes momentos, lo que provoca un magnetismo espontáneo; el material es ferromagnético. Por encima de la temperatura de Curie, el material es paramagnético, ya que los átomos pierden sus momentos magnéticos ordenados a medida que el material experimenta una transición de fase. [20]

Antiferromagnético y la temperatura de Néel

Los materiales solo son antiferromagnéticos por debajo de su temperatura de Néel o temperatura de ordenamiento magnético correspondiente , T N . Esto es similar a la temperatura de Curie, ya que por encima de la temperatura de Néel el material experimenta una transición de fase y se vuelve paramagnético. Es decir, la energía térmica se vuelve lo suficientemente grande como para destruir el ordenamiento magnético microscópico dentro del material. [21] Lleva el nombre de Louis Néel (1904-2000), quien recibió el Premio Nobel de Física en 1970 por su trabajo en el área.

El material tiene momentos magnéticos iguales alineados en direcciones opuestas, lo que da como resultado un momento magnético cero y un magnetismo neto cero a todas las temperaturas por debajo de la temperatura de Néel. Los materiales antiferromagnéticos son débilmente magnéticos en ausencia o presencia de un campo magnético aplicado.

De manera similar a los materiales ferromagnéticos, las interacciones magnéticas se mantienen unidas por interacciones de intercambio que impiden que el desorden térmico supere las interacciones débiles de los momentos magnéticos. [17] [22] Cuando se produce el desorden, es a la temperatura de Néel. [22]

A continuación se enumeran las temperaturas de Néel de varios materiales: [23]

SustanciaTemperatura de Néel ( K )
MnO116
MnS160
MnTe307
MnF 267
FeF2​79
FeCl2​24
FeI 29
FeO198
FeOCl80
CrCl2​25
CRI 212
Arrullo291
NiCl2​50
NiI 275
NiO525
KFeO2​983 [24]
Cr308
cromo 2 o 3307
Nd 5 Gn 350

Ley de Curie-Weiss

La ley de Curie-Weiss es una versión adaptada de la ley de Curie .

La ley de Curie-Weiss es un modelo simple derivado de una aproximación de campo medio , esto significa que funciona bien para la temperatura de los materiales, T , mucho mayor que su temperatura de Curie correspondiente, T C , es decir, T ≫ T C ; sin embargo, no describe la susceptibilidad magnética , χ , en la vecindad inmediata del punto de Curie debido a las correlaciones en las fluctuaciones de los momentos magnéticos vecinos. [25]

Ni la ley de Curie ni la ley de Curie-Weiss se cumplen para T < T C .

Ley de Curie para un material paramagnético: [26]

χ = METRO yo = METRO micras 0 B = do yo {\displaystyle \chi ={\frac {M}{H}}={\frac {M\mu _{0}}{B}}={\frac {C}{T}}}

Definición
χla susceptibilidad magnética; la influencia de un campo magnético aplicado sobre un material
METROlos momentos magnéticos por unidad de volumen
yoEl campo magnético macroscópico
BEl campo magnético
doLa constante de Curie específica del material

La constante de Curie C se define como [27] do = micras 0 micras B 2 3 a B norte A gramo 2 Yo ( Yo + 1 ) {\displaystyle C={\frac {\mu _{0}\mu _{\mathrm {B} }^{2}}{3k_{\mathrm {B} }}}N_{\text{A}}g ^{2}J(J+1)}

norte A {\displaystyle N_{\text{A}}} La constante de Avogadro
µ0​la permeabilidad del espacio libre . Nota: en unidades CGS se toma igual a uno. [28]
gramoEl factor g de Landé
Yo ( Yo + 1)el valor propio del estado propio J 2 para los estados estacionarios dentro de las capas de átomos incompletos (electrones desapareados)
µB​El magnetón de Bohr
k BLa constante de Boltzmann
magnetismo totales N número de momentos magnéticos por unidad de volumen [ aclaración necesaria ]

La ley de Curie-Weiss se deriva entonces de la ley de Curie y queda así:

χ = do yo − yo do {\displaystyle \chi ={\frac {C}{T-T_{\mathrm {C}}}}

dónde:

yo do = do la micras 0 {\displaystyle T_{\mathrm {C}}={\frac {C\lambda}}{\mu _{0}}}}

λ es la constante de campo molecular de Weiss. [27] [29]

Para una derivación completa, consulte la ley de Curie-Weiss .

Física

Acercándose a la temperatura de Curie desde arriba

Como la ley de Curie-Weiss es una aproximación, se necesita un modelo más preciso cuando la temperatura, T , se aproxima a la temperatura de Curie del material, T C .

La susceptibilidad magnética se produce por encima de la temperatura de Curie.

Un modelo preciso del comportamiento crítico de la susceptibilidad magnética con exponente crítico γ :

χ ∼ 1 ( yo − yo do ) gamma {\displaystyle \chi \sim {\frac {1}{(T-T_{\mathrm {C} })^{\gamma }}}}

El exponente crítico difiere entre materiales y para el modelo de campo medio se toma como γ  = 1. [30]

Como la temperatura es inversamente proporcional a la susceptibilidad magnética, cuando T se acerca a T C el denominador tiende a cero y la susceptibilidad magnética se acerca al infinito, lo que permite que se produzca el magnetismo. Se trata de un magnetismo espontáneo que es una propiedad de los materiales ferromagnéticos y ferromagnéticos. [31] [32]

Acercándose a la temperatura de Curie desde abajo

El magnetismo depende de la temperatura y el magnetismo espontáneo se produce por debajo de la temperatura de Curie. Un modelo preciso del comportamiento crítico del magnetismo espontáneo con exponente crítico β :

METRO ∼ ( yo do − yo ) β {\displaystyle M\sim(T_{\mathrm {C} }-T)^{\beta }}

El exponente crítico difiere entre materiales y para el modelo de campo medio se toma como β  =  ⁠1/2⁠ donde T ≪ T C . [30]

El magnetismo espontáneo se acerca a cero a medida que la temperatura aumenta hacia la temperatura de Curie del material.

Acercándose al cero absoluto (0 kelvin)

El magnetismo espontáneo, que se produce en materiales ferromagnéticos, ferromagnéticos y antiferromagnéticos, se acerca a cero a medida que la temperatura aumenta hacia la temperatura de Curie del material. El magnetismo espontáneo alcanza su máximo cuando la temperatura se acerca a 0 K. [ 33] Es decir, los momentos magnéticos están completamente alineados y en su magnitud de magnetismo más fuerte debido a la falta de perturbación térmica.

En los materiales paramagnéticos la energía térmica es suficiente para superar las alineaciones ordenadas. A medida que la temperatura se acerca a 0 K, la entropía disminuye hasta cero, es decir, el desorden disminuye y el material se ordena. Esto ocurre sin la presencia de un campo magnético aplicado y obedece a la tercera ley de la termodinámica . [17]

Tanto la ley de Curie como la ley de Curie-Weiss fallan cuando la temperatura se acerca a 0 K. Esto se debe a que dependen de la susceptibilidad magnética, que solo se aplica cuando el estado está desordenado. [34]

El sulfato de gadolinio continúa satisfaciendo la ley de Curie a 1 K. Entre 0 y 1 K la ley no se cumple y se produce un cambio repentino en la estructura intrínseca a la temperatura de Curie. [35]

Modelo de Ising de transiciones de fase

El modelo de Ising tiene una base matemática y puede analizar los puntos críticos de las transiciones de fase en orden ferromagnético debido a los espines de los electrones que tienen magnitudes de ± ⁠1/2Los espines interactúan con sus electrones dipolares vecinos en la estructura y aquí el modelo de Ising puede predecir su comportamiento entre sí. [ 36 ] [37]

Este modelo es importante para resolver y comprender los conceptos de transición de fase y, por lo tanto, para resolver la temperatura de Curie. Como resultado, se pueden analizar muchas dependencias diferentes que afectan la temperatura de Curie.

Por ejemplo, las propiedades superficiales y volumétricas dependen de la alineación y magnitud de los espines y el modelo de Ising puede determinar los efectos del magnetismo en este sistema.

Cabe señalar que, en 1D, la temperatura de Curie (crítica) para una transición de fase de orden magnético se encuentra a temperatura cero, es decir, el orden magnético toma el control solo en T = 0. En 2D, la temperatura crítica, es decir, una magnetización finita, se puede calcular resolviendo la desigualdad:

METRO = ( 1 − pecado − 4 ⁡ ( 2 β Yo ) ) 1 / 8 > 0. {\displaystyle M=(1-\sinh ^{-4}(2\beta J))^{1/8}>0.}

Dominios de Weiss y temperaturas de Curie superficiales y volumétricas

Figura 3. Los dominios de Weiss en un material ferromagnético; los momentos magnéticos están alineados en los dominios.

Las estructuras de los materiales consisten en momentos magnéticos intrínsecos que se separan en dominios llamados dominios de Weiss . [38] Esto puede dar como resultado que los materiales ferromagnéticos no tengan magnetismo espontáneo, ya que los dominios podrían equilibrarse entre sí. [38] Por lo tanto, la posición de las partículas puede tener diferentes orientaciones alrededor de la superficie que la parte principal (volumen) del material. Esta propiedad afecta directamente la temperatura de Curie, ya que puede haber una temperatura de Curie en volumen T B y una temperatura de Curie superficial diferente T S para un material. [39]

Esto permite que la temperatura de Curie de la superficie sea ferromagnética por encima de la temperatura de Curie en masa cuando el estado principal está desordenado, es decir, los estados ordenados y desordenados ocurren simultáneamente. [36]

Las propiedades superficiales y volumétricas se pueden predecir mediante el modelo de Ising y se puede utilizar la espectroscopia de captura de electrones para detectar los espines de los electrones y, por lo tanto, los momentos magnéticos en la superficie del material. Se toma un magnetismo total promedio a partir de las temperaturas volumétricas y superficiales para calcular la temperatura de Curie del material, teniendo en cuenta que la volumétrica contribuye más. [36] [40]

El momento angular de un electrón es + ⁠Yo/2⁠ o − ⁠Yo/2⁠ debido a que tiene un giro de ⁠1/2⁠ , que da un tamaño específico de momento magnético al electrón; el magnetón de Bohr . [41] Los electrones que orbitan alrededor del núcleo en un bucle de corriente crean un campo magnético que depende del magnetón de Bohr y del número cuántico magnético . [41] Por lo tanto, los momentos magnéticos están relacionados entre el momento angular y orbital y se afectan entre sí. El momento angular contribuye el doble a los momentos magnéticos que el orbital. [42]

En el caso del terbio, que es un metal de tierras raras y tiene un momento angular orbital elevado, el momento magnético es lo suficientemente fuerte como para afectar al orden por encima de sus temperaturas en masa. Se dice que tiene una alta anisotropía en la superficie, es decir, está altamente dirigido en una orientación. Permanece ferromagnético en su superficie por encima de su temperatura de Curie (219 K), mientras que su masa se vuelve antiferromagnética y luego, a temperaturas más altas, su superficie permanece antiferromagnética por encima de su temperatura de Néel en masa (230 K) antes de volverse completamente desordenada y paramagnética con el aumento de la temperatura. La anisotropía en la masa es diferente de su anisotropía superficial justo por encima de estos cambios de fase, ya que los momentos magnéticos se ordenarán de manera diferente o se ordenarán en materiales paramagnéticos. [39] [43]

Cambiar la temperatura de Curie de un material

Materiales compuestos

Los materiales compuestos , es decir, aquellos compuestos de otros materiales con propiedades diferentes, pueden cambiar la temperatura de Curie. Por ejemplo, un material compuesto que contiene plata puede crear espacios para que las moléculas de oxígeno se unan, lo que disminuye la temperatura de Curie [44], ya que la red cristalina no será tan compacta.

La alineación de los momentos magnéticos en el material compuesto afecta la temperatura de Curie. Si los momentos del material son paralelos entre sí, la temperatura de Curie aumentará y si son perpendiculares, la temperatura de Curie disminuirá [44] ya que se necesitará más o menos energía térmica para destruir las alineaciones.

La preparación de materiales compuestos a diferentes temperaturas puede dar como resultado diferentes composiciones finales que tendrán diferentes temperaturas de Curie. [45] El dopaje de un material también puede afectar su temperatura de Curie. [45]

La densidad de los materiales nanocompuestos cambia la temperatura de Curie. Los nanocompuestos son estructuras compactas a escala nanométrica. La estructura está formada por temperaturas de Curie en masa altas y bajas, pero solo tendrá una temperatura de Curie de campo medio. Una mayor densidad de temperaturas en masa más bajas da como resultado una temperatura de Curie de campo medio más baja, y una mayor densidad de temperaturas en masa más altas aumenta significativamente la temperatura de Curie de campo medio. En más de una dimensión, la temperatura de Curie comienza a aumentar a medida que los momentos magnéticos necesitarán más energía térmica para superar la estructura ordenada. [40]

Tamaño de partícula

El tamaño de las partículas en la red cristalina de un material cambia la temperatura de Curie. Debido al pequeño tamaño de las partículas ( nanopartículas ), las fluctuaciones de los espines de los electrones se vuelven más prominentes, lo que da como resultado que la temperatura de Curie disminuya drásticamente cuando el tamaño de las partículas disminuye, ya que las fluctuaciones causan desorden. El tamaño de una partícula también afecta la anisotropía, lo que hace que la alineación se vuelva menos estable y, por lo tanto, genere desorden en los momentos magnéticos. [36] [46]

El extremo de este fenómeno es el superparamagnetismo , que sólo se da en partículas ferromagnéticas pequeñas. En este fenómeno, las fluctuaciones son muy influyentes y hacen que los momentos magnéticos cambien de dirección aleatoriamente, creando así desorden.

La temperatura de Curie de las nanopartículas también se ve afectada por la estructura de la red cristalina : la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), la estructura cúbica centrada en las caras (fcc) y la estructura hexagonal (hcp) tienen diferentes temperaturas de Curie debido a los momentos magnéticos que reaccionan a los espines de sus electrones vecinos. La fcc y la hcp tienen estructuras más estrechas y, como resultado, tienen temperaturas de Curie más altas que la bcc, ya que los momentos magnéticos tienen efectos más fuertes cuando están más cerca entre sí. [36] Esto se conoce como el número de coordinación , que es el número de partículas vecinas más cercanas en una estructura. Esto indica un número de coordinación más bajo en la superficie de un material que en la masa, lo que hace que la superficie se vuelva menos significativa cuando la temperatura se acerca a la temperatura de Curie. En sistemas más pequeños, el número de coordinación de la superficie es más significativo y los momentos magnéticos tienen un efecto más fuerte en el sistema. [36]

Aunque las fluctuaciones en las partículas pueden ser minúsculas, dependen en gran medida de la estructura de las redes cristalinas a medida que reaccionan con sus partículas vecinas más cercanas. Las fluctuaciones también se ven afectadas por la interacción de intercambio [46], ya que los momentos magnéticos que se enfrentan en paralelo se ven favorecidos y, por lo tanto, tienen menos perturbaciones y desorden; por lo tanto, una estructura más compacta influye en un magnetismo más fuerte y, por lo tanto, en una temperatura de Curie más alta.

Presión

La presión modifica la temperatura de Curie de un material. Al aumentar la presión sobre la red cristalina , disminuye el volumen del sistema. La presión afecta directamente a la energía cinética de las partículas a medida que aumenta el movimiento, lo que provoca que las vibraciones alteren el orden de los momentos magnéticos. Esto es similar a la temperatura, ya que también aumenta la energía cinética de las partículas y destruye el orden de los momentos magnéticos y el magnetismo. [47]

La presión también afecta la densidad de estados (DOS). [47] Aquí la DOS disminuye provocando que el número de electrones disponibles para el sistema disminuya. Esto lleva a que el número de momentos magnéticos disminuya ya que dependen de los espines de los electrones. Se esperaría que debido a esto la temperatura de Curie disminuya; sin embargo, aumenta. Este es el resultado de la interacción de intercambio . La interacción de intercambio favorece los momentos magnéticos paralelos alineados debido a que los electrones no pueden ocupar el mismo espacio en el tiempo [17] y como este aumenta debido a la disminución del volumen, la temperatura de Curie aumenta con la presión. La temperatura de Curie se compone de una combinación de dependencias de la energía cinética y la DOS. [47]

La concentración de partículas también afecta la temperatura de Curie cuando se aplica presión y puede provocar una disminución de la temperatura de Curie cuando la concentración es superior a un cierto porcentaje. [47]

Ordenamiento orbital

El ordenamiento orbital cambia la temperatura de Curie de un material. El ordenamiento orbital puede controlarse mediante tensiones aplicadas . [48] Esta es una función que determina la onda de un solo electrón o de electrones apareados dentro del material. Tener control sobre la probabilidad de dónde estará el electrón permite alterar la temperatura de Curie. Por ejemplo, los electrones deslocalizados pueden moverse al mismo plano mediante tensiones aplicadas dentro de la red cristalina. [48]

Se observa que la temperatura de Curie aumenta considerablemente debido a que los electrones están empaquetados juntos en el mismo plano, se ven obligados a alinearse debido a la interacción de intercambio y, por lo tanto, aumenta la fuerza de los momentos magnéticos, lo que evita el desorden térmico a temperaturas más bajas.

Temperatura de Curie en materiales ferroeléctricos

En analogía con los materiales ferromagnéticos y paramagnéticos, el término temperatura de Curie ( T C ) también se aplica a la temperatura a la que un material ferroeléctrico pasa a ser paraeléctrico . Por lo tanto, T C es la temperatura a la que los materiales ferroeléctricos pierden su polarización espontánea cuando se produce un cambio de fase de primer o segundo orden. En caso de una transición de segundo orden, la temperatura de Curie Weiss T 0 que define el máximo de la constante dieléctrica es igual a la temperatura de Curie. Sin embargo, la temperatura de Curie puede ser 10 K más alta que T 0 en caso de una transición de primer orden. [49]

Abajo T CPor encima de T C [50]
Ferroeléctrico↔ Dieléctrico (paraeléctrico)
Antiferroeléctrico↔ Dieléctrico (paraeléctrico)
Ferrieléctrico↔ Dieléctrico (paraeléctrico)
Helieléctrico↔ Dieléctrico (paraeléctrico)

Ferroeléctrico y dieléctrico

Los materiales sólo son ferroeléctricos por debajo de su temperatura de transición correspondiente T 0 . [51] Los materiales ferroeléctricos son todos piroeléctricos y, por lo tanto, tienen una polarización eléctrica espontánea ya que las estructuras son asimétricas.

La polarización de los materiales ferroeléctricos está sujeta a histéresis (Figura 4); es decir, dependen de su estado anterior y de su estado actual. Cuando se aplica un campo eléctrico, los dipolos se ven obligados a alinearse y se crea polarización; cuando se elimina el campo eléctrico, la polarización permanece. El ciclo de histéresis depende de la temperatura y, como resultado, a medida que la temperatura aumenta y alcanza T 0, las dos curvas se convierten en una sola, como se muestra en la polarización dieléctrica (Figura 5). [52]

Permitividad relativa

Una versión modificada de la ley de Curie-Weiss se aplica a la constante dieléctrica, también conocida como permitividad relativa : [49] [53]

o = o 0 + do yo − yo 0 . {\displaystyle \epsilon =\epsilon _{0}+{\frac {C}{T-T_{\mathrm {0} }}}.}

Aplicaciones

En los medios de almacenamiento magneto-ópticos se utiliza una transición ferromagnética-paramagnética inducida por calor para borrar y escribir nuevos datos. Entre los ejemplos más conocidos se incluyen el formato Sony Minidisc y el ahora obsoleto formato CD-MO . Se han propuesto y probado electroimanes de punto de Curie para mecanismos de actuación en sistemas de seguridad pasiva de reactores reproductores rápidos , donde se dejan caer barras de control en el núcleo del reactor si el mecanismo de actuación se calienta más allá del punto de Curie del material. [54] Otros usos incluyen el control de temperatura en soldadores [55] y la estabilización del campo magnético de los generadores de tacómetros frente a variaciones de temperatura. [56]

Véase también

  • Ferroelectricidad  : Propiedad de los materiales que poseen y son afectados por campos eléctricos.
  • Ley de Curie  : Relación de la magnetización con el campo magnético aplicado y la temperatura
  • Efecto Hopkinson  – Característica de los materiales ferromagnéticos o ferrimagnéticos

Notas

  1. ^ Pierre Curie – Biografía
  2. ^ Buschow 2001, pág. 5021, tabla 1
  3. ^ Jullien y Guinier 1989, pág. 155
  4. ^ Kittel 1986
  5. ^ Nigh, HE; ​​Legvold, S.; Spedding, FH (1 de noviembre de 1963). "Magnetización y resistividad eléctrica de monocristales de gadolinio". Physical Review . 132 (3): 1092–1097. doi :10.1103/PhysRev.132.1092. ISSN  0031-899X.
  6. ^ Hall y Hook 1994, pág. 200
  7. ^ Jullien y Guinier 1989, págs. 136-38
  8. ^ por Ibach & Lüth 2009
  9. ^ de Levy 1968, págs. 236–39
  10. ^ Dekker 1958, págs. 217-20
  11. ^ Levy 1968
  12. ^ abc Fan 1987, págs. 164-65
  13. ^ Dekker 1958, págs. 454-55
  14. ^ Mendelssohn 1977, pág. 162
  15. ^ Levy 1968, págs. 198-202
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