Température de Curie

De par leurs propres moments magnétiques orbital et de spin, les électrons, tout comme le noyau de l’atome, contribuent au moment magnétique total d'un atome. Le moment magnétique μ_n du noyau est toutefois négligeable par rapport à la contribution électronique, avec μ_n << μ_r (μ_n ~ 5 × 10⁻²⁷ A m² et μ_r a le même ordre de grandeur que le magnéton de Bohr soit ~10⁻²³ A m²)[8]. Dans les matériaux ferromagnétiques, paramagnétiques, ferrimagnétiques et antiferromagnétiques, les moments magnétiques s'ordonnent, dû à la présence de l'interaction d'échange. L'agitation thermique entraine une hausse d’énergie pour les électrons, causant un désordre par mouvement brownien et la disparition de l'ordre magnétique.

Les matériaux ferromagnétiques, paramagnétiques, ferrimagnétiques et antiferromagnétiques ont des moments magnétiques intrinsèques différents. C'est à une température de Curie spécifique qu’un matériau change de propriétés magnétiques. Par exemple, la transition de l’état antiferromagnétique à l’état paramagnétique (ou vice versa) se produit à la température de Néel T_N qui est analogue à la température de Curie.

Liste des différentes transitions de phases possibles :

• Orientation des moments magnétiques dans les matériaux
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  Ferromagnétisme : Les moments magnétiques dans un matériau ferromagnétique sont ordonnés et de même ordre de grandeur en l’absence d’un champ magnétique extérieur.
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  Paramagnétisme: Les moments magnétiques dans un matériau paramagnétique sont désordonnés en l’absence d’un champ magnétique externe, et ordonnés en présence d’un champ magnétique extérieur.
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  Ferrimagnétisme: Les moments magnétiques dans un matériau ferrimagnétique sont alignés de manière opposée avec des ordres de grandeurs différents dus à leur constitution en l’absence d’un champ magnétique extérieur.
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  Antiferromagnétisme: En l’absence d’un champ magnétique extérieur, les moments magnétiques dans un matériau antiferromagnétique sont alignés et opposés avec les mêmes normes.

Le point de Curie caractérise donc la transition de phase entre deux états magnétiques :

• au-dessous de T_C le matériau peut donc posséder une aimantation permanente ; cet état se caractérise par une interaction des moments magnétiques leur permettant de garder une même orientation à grande échelle ;
• au-dessus de T_C le matériau est paramagnétique et ne peut donc posséder qu'une aimantation temporaire, générée par un champ magnétique extérieur ; cet état se caractérise par un désordre d'orientation en l'absence de champ extérieur, dû à l'agitation thermique.

La transition entre les deux états est réversible.

La Terre est composée de matériaux dont certains ont des propriétés ferromagnétiques à sa surface. Il existe donc une profondeur à partir de laquelle ces matériaux perdent leur caractère ferromagnétique et deviennent paramagnétiques. Parmi les matériaux qui constituent la Terre les matériaux potentiellement ferromagnétiques sont le fer-nickel du noyau et divers oxydes des roches de la croûte et du manteau, dont le principal, quantitativement, est la magnétite Fe₃O₄. La température moyenne du noyau externe étant d'environ 4000 °C, le fer le composant à 85 % est dans une phase paramagnétique. Il en est de même pour le nickel qui compose 5 % du noyau terrestre. Le noyau interne est à une température encore plus importante (6 000 °C). Il reste la magnétite, présente dans le manteau qui doit subir un changement de phase à une profondeur spécifique.

À l'intérieur de la Terre le point de Curie est atteint à relativement faible profondeur, dans la croûte ou dans les zones les plus superficielles du manteau supérieur. Dans la péninsule Ibérique et ses marges, par exemple, la profondeur du point de Curie (CPD, pour Curie-point depth) varie entre 17 et 29 km[17]. Cette profondeur, assimilable à l'isotherme 580 °C[alpha 1], peut être calculée à partir de mesures géomagnétiques (c'est le plancher des anomalies magnétiques, que l'on peut reconstituer en 3D à partir des mesures du champ géomagnétique).

Par analogie avec les matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques, le terme température de Curie est aussi utilisé pour désigner la température à laquelle un matériau ferroélectrique devient paraélectrique.

T_C est la température à laquelle les matériaux ferroélectriques perdent leur polarisation spontanée en subissant un changement de phase de premier ou second ordre, c’est-à-dire que la structure interne ou la symétrie interne du matériau change[18] - [19].

Figure 1. (En dessous de T_C) Polarisation P en fonction du champ électrique E

Figure 2. (Au-dessus de T_C) Polarisation P en fonction du champ électrique E

Les matériaux ferroélectriques sont tous pyroélectriques et possèdent donc une polarisation électrique spontanée du fait de leur structure cristalline.

La polarisation des matériaux ferroélectriques est sujette à un cycle d'hystérésis (Figure 1). Lorsqu’un un champ électrique est appliqué, la proportion de domaines ferroélectriques orientés dans le même sens que le champ extérieur grandit, entrainant l'augmentation de la polarisation. Lorsque le champ est retiré, la polarisation subsiste. Le cycle d’hystérésis dépend de la température : lorsque celle-ci atteint T_C, le cycle laisse place à une courbe représentant la polarisation diélectrique(Figure 2)[21].

La transition ferromagnétique-paramagnétique induite par la température est utilisée dans le domaine du stockage magnéto-optique, pour la suppression et l’écriture de données. Citons par exemple le format MiniDisc de Sony ou le format maintenant obsolète CD-MO. D’autres utilisations incluent notamment le contrôle de température dans les fers à souder[22] et les cuiseurs de riz, et la stabilisation du champ magnétique des compte-tours face aux variations de température[23].