Ferromagnetism
07 Mar, 2013
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PDFCurie temperature
PRESENTATION: A simple pendulum is constructed with a powerful magnet placed close to an iron wire. The initial setting keeps the magnet in equilibrium in a position of maximum amplitude close to the wire. If the wire is heated with a candle, or, alternatively, an electric current is made to pass through it, it behaves as a paramagnetic material and ceases to be attracted by the magnet.
- Determining the Curie Temperature of Iron and Nickel, S. Velasco and F. L. Román, Phys. Teach. 45, 387 (2007)
- Curie Point, again, David E. Wilson, Phys. Teach. 27, 374 (1989)
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En este experimento se demuestra como el hierro pierde su ferromagnetismo cuando se le suministra calor.
Este fenómeno ocurre cuando se sobrepasa su temperatura de Curie a partir de la cual se comportan como paramagnetismo, como demostró Pierre Curie.
Las temperaturas de Curie son diferentes para cada sustancia, en el caso del hierro es a 770º. A continuación, se muestra un vídeo con el mismo experimento.
Efectivamente Pierre Curie, esposo de Marie Curie, foi quen descubriu que a certa temperatura algúns materiais como o ferro perden as súas propiedades ferromagnéticas. Ao aumentar a axitación térmica das partículas que conforman os dominios magnéticos, estes desordénanse e perden as propiedades ferromagnéticas.
Esta experiencia demóstrase de maneira moi sinxela e ilustrativa nos seguintes vídeos.
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En los siguientes vídeos puede observarse el comportamiento de un líquido ferromagnético que consiste en un solvente con partículas ferromagnéticas suspendidas en él.
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Las aplicaciones de los ferrofluidos son muchas, amortiguadores, pinturas para aviones del ejército, etc. Puede hacerse un ferrofluido casero mezclando aceite vegetal con tinta de impresora láser.
Esta temperatura de Curie o en ocasiones llamada punto de Curie lleva el nombre, como ya se ha mencionado previamente, del físico francés Pierre Curie, quien descubrió esta temperatura característica en 1895. Pierre Curie descubrió, junto a su hermano Jacques, el efecto piezoeléctrico en cristales, estableciendo que la susceptibilidad magnética de las sustancias paramagnéticas depende del inverso de la temperatura, es decir, que las propiedades magnéticas cambian en función de la temperatura. En todos los ferromagnéticos encontró un descenso de la magnetización hasta que la temperatura llegaba a un valor crítico, llamada temperatura de Curie (Tc), donde la magnetización se hace igual a cero; por encima de la temperatura de Curie, los ferromagnéticos se comportan como sustancias paramagnéticas. Esta temperatura característica es el punto crítico en el que los momentos magnéticos intrínsecos cambian de direcciones, siendo estos momentos magnéticos los momentos dipolares permanentes dentro del átomo que se componen de electrones con momento angular y giro. Los materiales tienen diferentes estructuras de momentos magnéticos intrínsecos que dependen de la temperatura, por tanto, en concreto en la temperatura de Curie de un material estas direcciones cambian.
Esta susceptibilidad magnética de un ferromagneto en la región paramagnética sobre el punto de Curie, se describe a partir de la ley de Curie-Weiss:
X=C/(T-TC)
donde
X es la susceptibilidad magnética
T es la temperatura absoluta, medida en Kelvin
TC es la temperatura de Curie, medida en Kelvin
C es la constante de Curie, específica de cada material
Al principio de la década de los 60 un joven estudiante de arqueología hizo un importante descubrimiento cuando midió el magnetismo de las rocas que rodeaban una hoguera de la edad de piedra. Todas las rocas mostraban la misma orientación magnética y sorprendentemente apuntaban en dirección opuesta al campo magnético actual. A raíz de esto se comprobó que las rocas que tenían magnetita (un óxido de hierro) orientaban este mineral cuando se calentaban por encima de su temperatura de Curie, unos 580º C. De esta manera, al enfriarse, reflejan el campo magnético del momento en que alcanzaron esta temperatura. Investigaciónes posteriores, centradas en el estudio de la corteza oceánica, de origen volcánico, y por tanto enfriadas en lapsos de tiempo pequeños, revelaron la cambiante polaridad del campo magnético terrestre. El estudio de estas inversiones magnéticas es una de las patas en las que se apoya la hipótesis de la expansión del fondo oceánico y por ende la actual teoría de la Tectónica de placas.
Respecto al comentario sobre la magnetización de materiales arqueológicos, la implicación más importante no es que los materiales arqueológicos tengan trazas de magnetita, que es bastante común en la naturaleza, aunque no la veamos por su existencia sobre todo en tamaños microscópicos. El descubrimiento de la remanencia magnética en materiales arqueológicos hace que si se cumplen dos condiciones, ¡éstos pueden ser datados! La primera condición es que desde que se calentó por última vez por encima de la temperatura de Curie y se volvió a enfriar en presencia del campo magnético terrestre existente en ese momento, no ha cambiado su posición (la imanación es una magnitud vectorial, y por tanto tiene orientación). La segunda condición es que exista para la región del yacimiento (el campo magnético terrestre no es un dipolo perfecto y hay variaciones regionales) una curva de referencia que relacione orientación magnética y edad. Este último requisito es cada vez más fácil de cumplir por la creciente base de datos con edades determinadas por métodos independiente (como Carbono-14) y por los cada vez mejores modelos numéricos que permiten simular la evolución del campo magnético para períodos de varios miles de años. A esta aplicación del magnetismo a la arqueología se le denomina Arqueomagnetismo.
Este vídeo es un buen ejemplo para demostrar como un material ferromagnético pierde la capacidad de ser atraído por un imán si se calienta por encima de un límite conocido como temperatura de Curie, tal y como demostró Pierre Curie. Este otro vídeo es otro buen ejemplo del mismo experimento, de como la temperatura afecta al magnetismo.
El magnetismo se explica debido al momento magnético de dipolo de los electrones, el cual a su vez se debe a su “spin” u orientación, la cual solamente puede tener dos posiciones posibles. Cuando estos dipolos magnéticos se alinean, sus pequeños campos magnéticos se adicionan para crear un campo magnético de mucha mayor amplitud, que podemos incluso sentir. En este enlace puede consultarse más información sobre el ferromagnetismo, que es el más potente de todos los posibles tipos: diamagnetismo, paramagnetismo, antiferromagnetismo…
Interesante ingenio el motor termomagnético o motor de Curie, que aprovecha esta propiedad de los ferromagnéticos para hacer girar una rueda.
El científico francés Pierre Curie descubrió que los materiales ferromagnéticos presentan una temperatura crítica, a la cual pierden sus propiedades ferromagnéticas y ya no son atraídas por un imán, comportándose como un material paramagnético. Esta temperatura crítica es conocida como temperatura de Curie, y es característica de cada material, en el hierro ocurre a 770º, mientras que en el níquel a 358º. Sin embargo, cuando estos materiales se enfrían por debajo de la temperatura de Curie (o punto de Curie), recuperan sus propiedades ferromagnéticas.
En base a estos principios podemos construir un motor termomagnético como se ve en el siguiente vídeo. El funcionamiento de este motor se basa en la temperatura y ley de Curie. Un cuerpo magnético es atraído por un imán, cuando se calienta por encima de su temperatura de Curie pierde las propiedades electromagnéticas. Ahora el imán no atrae a este cuerpo y pasará a atraer a otro cuerpo ferromagnético y así sucesivamente. A pesar de que este motor termomagnético tiene un rendimiento muy bajo y no tendría aplicación práctica, a nivel educativo es un ejercicio muy útil. Una buena comprensión del ferromagnetismo es fundamental, ya que existen muchas y muy diversas aplicaciones prácticas asociadas a los materiales ferromagnéticos como electroimanes o transformadores. En el ámbito sanitario también tienen diversas aplicaciones estos materiales, como el nanomagnetismo o resonancia magnética.
El hierro es un material ferromagnético, esto le permite presentar múltiples usos. Uno de ellos es la hipertermia electromagnética local. En este tratamiento contra el cáncer se emplean materiales ferromagnéticos como pueden ser los ferrofluídos que se dirigen mediante imanes a la zona en la que se localiza el tumor. Una vez allí se irradian, lo que origina un aumento de temperatura, y la muerte de las células cancerígenas de forma muy localizada. Os dejo un enlace a un artículo en el que se trata este tema.
Anteriormente han hablado de la ley de Curie-Weiss que hace referencia a materiales ferromagnéticos. Pero también existe la ley de Curie que indica que los materiales paramagnéticos se vuelven más magnétciso cuando se aumenta el campo y cuando se disminuye la temperatura. De forma matemática:
M=C·B/T
Siendo M la magnetización que resulta, C la constante de Curie, B la inducción magnética (Teslas) y T la temperatura absoluta (Kelvin).
Pero hay que tener en cuenta que esto solo se cumple cuando el valor de la temperatura es muy alto o si el campo magnético es muy débil. En caso contrario, el material se encuentra cerca del punto máximo de magnetización haciendo despreciables los cambios que se produzcan por la variación del valor del campo magnético o de la temperatura. A este estado en el que se encuentra el material alcanzando el máximo de magnetización se denomina saturación magnética.
Quero traer unha das aplicacións máis importantes a día de hoxe en aplicacións tecnolóxicas, filtrado de sinais EMI (correntes en modo común), onde a temperatura de Curie do material utilizado é realmente crítica para garantizar o filtrado correcto das mesmas. Son coñecidos como chokes. O material máis extendido nas mesmas é a utilización de ferritas con temperaturas de Curie ó redor dos 200ºC normalmente. Debido a isto, levar a cabo unha validación térmica (worst case analysis) para delimitar a temperatura máxima alcanzada na superficie destes é realmente importante é crítico. Deste xeito dita aplicación tecnolóxica pode garantir que, ó nunca superar dito valor, as ferritas non se van a perder as propiedades ferromagnéticas para as que foron deseñadas. Para deseños onde o factor térmico se volve máis crítico, a alternativa é a utilización de material nanocristalino (Fe-based nanocrystalline core) con temperaturas de Curie que poden alcanzar os 550ºC.
El video ilustra como determinados materiales con propiedades magnéticas las pierden una vez superada la llamada temperatura de Curie. Esta temperatura es aquella por encima de la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo, pasando a comportarse como un material paramagnético. Otro experimento, fácil de realizar y que no conlleva riesgos de quemadura sería el que aparece en esta página. Para la realización de este experimento necesitaremos dos boles, uno con agua con hielo y otro con agua caliente, y también un imán y una pieza de gadolinio. Como se observa en el video de la página propuesta, al sumergir el gadolinio en agua fría y dejar que se enfríe, este es atraído por el imán. Sin embargo, cuando sumergimos el gadolinio en agua caliente y dejamos que se caliente, éste no es atraído por el imán. Esto es debido a que el gadolinio en agua caliente, supera su temperatura de Curie (aproximadamente 19˚C), perdiendo sus propiedades magnéticas y volviéndose paramagnético.
Los ferroimanes tienen una temperatura máxima, donde desaparecen las propiedades ferromagnéticas como resultado de la agitación térmica. Esta temperatura se llama temperatura de Curie. En este artículo investigadores del departamento de física de la UAB junto a otros grupos nacionales e internacionales han demostrado la manera de inducir el ferromagnetismo a temperatura ambiente en una capa de 100 nm de grosor de Co3O4.
Ligando el ferromagnetismo al campo de la biología ¿sabíais que se ha encontrado magnetita en abejas (Apis mellifera) y hormigas (Solenopsis sp. y Pachycondyla marginata)?
Se cree que puede participar en el fenónmeno denominado orientación “magnética”, y que se da en los insectos sociales, como las hormigas, avispas, abejas y termitas… Esta magnetita puede desempeñar el papel de sensor magnético involucrado en el fenómeno de magnetorecepción. Adjunto un estudio sobre esto.
En este video se demuestra la temperatura de Curie; es decir, la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagnético se comporta como un material paramagnético; es decir, el cuerpo pierde su magnetismo (Housecroft y Sharpe, 2012, pp. 705). No obstante, para poder hablar de la temperatura y la ley de Curie (como se hacen en comentarios anteriores de este post), es necesario entender la clasificación de cuerpos según su momento magnético, pudiendo distinguir 5 categorías: diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, ferrimagnéticos y antiferromagnéticos. Por ello, incluyo el video de My Smart Class, 2018. Por otra parte, este experimento compara el ferromagnetismo inicial con el paramagnetismo final. En consecuencia, cabe señalar que esta propiedad solo es válida para el Fe, Co y Ni, ya que en estos metales de transición, en su estado sólido, se encuentran los dominios o zonas; es decir, regiones pequeñas de agrupaciones de átomos del metal. Dentro de uno de estos dominios, los momentos magnéticos individuales de los átomos se orientan todos en la misma dirección. Por tanto, en una pieza metálica no imanada, los momentos de los dominios se orientan en distintas direcciones y sus efectos magnéticos se cancelan. Sin embargo, cuando el metal se sitúa bajo la acción de un campo, los momentos de los dominios se alinean entre sí, obteniéndose un gran efecto magnético resultante (Petrucci et al, 2011, pp. 1036).
Refs: Housecroft, C.E. y Sharpe, A.G. (2012). Inorganic Chemistry. Pearson; Petrucci, R.H., Herring, F.G., Madura, J.D. y Bissonnette, C. (2011). Química General. Pearson.
Dejo este vídeo en el que se explica efecto de la temperatura de Curie y un experimento ilustrativo en primer plano. Me pareció muy claro.
Experimento que hace que te acuerdes del punto, o temperatura, de Curie para siempre. A partir de exponer a cierta temperatura a los materiales con propiedades ferromagnéticos, estos las pierden. Es un progreso de debilitación a medida que aumenta la temperatura y dependen del tipo de material, hasta que llegan a la temperatura de Curie y las pierden por completo. Esto me hace pensar en los motores eléctricos por imanes y bobinas y con escobillas, podría la fricción o el calor de las bobinas a calentar tanto los imanes que pierdan estas propiedades?
El magma fundido del interior del planeta contiene partículas ferromagnéticas que, gracias a que se encuentran sumergidas en un líquido, tienen libertad para alinearse en la dirección del campo magnético terrestre. Cuando el magma sale a la superficie y se solidifica, las partículas quedan congeladas con esa orientación. Como se menciona en un comentario anterior, esto significa que los polos magnéticos habían estado invertidos en el pasado. Hoy en día se sabe que las reversiones de los polos magnéticos tardan entre 1.000 y 10.000 años en producirse y que la última tuvo lugar hace 780.000 años. En este artículo se comenta qué ocurriría si se invirtiesen los polos magnéticos del planeta.
El video explica las propiedades y capacidades magnéticas de ciertos materiales, las cuales pierden una vez superada cierta temperatura (temperatura de Curie: Aquella por encima de la cual los materiales magnéticos pierden sus propiedades ferromagnéticas, para ser reemplazados por paramagnetismo (la tendencia de los momentos magnéticos libres a alinearse paralelamente a un campo magnético). Otro concepto importante en este experimento es el fenómeno físico del “ferromagnetismo” el cual produce un ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Dejo un ejemplo de ferromagnetismo para niños explicado de una manera más fácil y sencilla.
El experimento que utiliza un imán potente cerca de un hilo de hierro dulce para observar los efectos del cambio en la temperatura en la paramagnetización del material es un ejemplo práctico y efectivo para demostrar el fenómeno de la temperatura de Curie. Ejemplos prácticos de la vida cotidiana para entender mejor: a) Aplicaciones en la tecnología de grabación magnética: Los discos duros y cintas de cassette utilizan materiales con propiedades paramagnéticas para grabar y almacenar datos. La temperatura de Curie es crucial para determinar las temperaturas de funcionamiento seguras de estos dispositivos; b) Sensores de temperatura: Algunos sensores de temperatura utilizan materiales paramagnéticos cuyas propiedades varían con la temperatura. Estos sensores son útiles en aplicaciones donde se requiere medir con precisión los cambios de temperatura; c) Investigación científica: El estudio de los materiales paramagnéticos y la temperatura de Curie es fundamental en la investigación científica para comprender mejor las propiedades magnéticas de los materiales y su comportamiento en diferentes condiciones; d) Electroimanes y sistemas de refrigeración: En aplicaciones avanzadas, como la fabricación de electroimanes y sistemas de refrigeración magnética, comprender la temperatura de Curie es esencial para el diseño y funcionamiento de estos dispositivos.
Este experimento resulta moi adecuado para introducir ao alumnado no comportamento magnético dos metais. Propoño outra experimentación que podería complementar á que se mostra no vídeo. Trátase dunha actividade proposta nun artigo do Journal of Chemical Education cuxo obxectivo é estimar a Temperatura de Curie do níquel empregando unha análise termodinámica. Penso que sería un experimento perfecto para que o alumnado comprenda e aplique no laboratorio os conceptos fisicoquímicos traballados na aula. Artigo: Kuntzleman, Thomas S. (2023). Estimation of the Curie Temperature of Nickel Using a Simple Thermodynamic Analysis. Journal of Chemical Education, 100(7), 2789-2792. DOI: 10.1021/acs.jchemed.2c01215
Este experimento es una forma clara de observar la transición de un material ferromagnético a paramagnético al superar su temperatura de Curie, un concepto clave en física de materiales. Este principio tiene aplicaciones en tecnologías como los discos duros, que utilizan materiales ferromagnéticos para el almacenamiento de datos. Además, en dispositivos médicos como los imanes superconductores de las máquinas de resonancia magnética, se diseñan sistemas que controlan la temperatura para mantener sus propiedades magnéticas. Es fascinante cómo un cambio térmico puede alterar radicalmente el comportamiento magnético de un material y cómo aprovechamos esto en la tecnología moderna