Die materialspezifische Curie-Temperatur $T_{C}$ bezeichnet diejenige Temperatur bei deren Überschreitung ein Material vollständig alle ferromagnetischen bzw. ferroelektrischen Eigenschaften verliert. Wird ein Material über diese Temperatur hinaus erwärmt so ist dieses dann nur noch paramagnetisch bzw. paraelektrisch. Mit diesem Experiment kann die Existenz der Curie-Temperatur für Eisen ( $T_{C}=768^{\circ }C$ ) und Gadolinium ( $T_{C}=(19,35\pm 0,5)^{\circ }C$ ^[1]) gezeigt werden. Für Nickel ( $T_{C}=360^{\circ }C$ ) liegt die Curie-Temperatur deutlich unter der von Eisen und wäre so schneller zu erreichen. Allerdings ist Nickel häufig Auslöser von Kontaktallergien und wird hier deshalb vermieden.

Ferromagnetische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihre Magnetisierung der eines äußeren Magnetfeldes anpasst. Bei paramegnetischen Stoffen geschieht dies auch. Der Effekt ist hier allerdings nicht so weitreichend. Die magnetische Permeabilität $\mu _{r}$ beschreibt diese Eigenschaft und so liegt dieser bei ferromagnetischen Materialien deutlich über eins mit

$\mu ={\frac {\overrightarrow {B}}{\overrightarrow {H}}}\quad {\text{mit}}\quad {\overrightarrow {B}}=\mu _{0}({\overrightarrow {H}}+{\overrightarrow {M}})\quad {\text{und}}\quad \mu _{r}={\frac {\mu }{\mu _{0}}}.$

Bei paramagnetischen Materialien liegt die magnetische Permeabilität leicht über eins während er bei diamagnetischen Materialien leicht darunter liegt. Mit $M$ wird hier die Magnetisierung bezeichnet. Sie beschreibt die Dichte von magnetischen Dipolen in einem Material. In Abbildung 3 ist die Magnetisierung eines Gadolinium-Stücks bei verschiedenen äußeren Magnetfeldern in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt^[2]. Es ist zu erkennen, dass die Magnetisierung um in einem Bericht um die Curie-Temperatur herum deutlich absinkt. Es ist also kein instantaner Wechsel von einem ferromagnetischen Zustand in einen paramagnetischen zu beobachten.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

In diesem Experiment wird ein Phänomen gezeigt, welches die Schülerinnen und Schüler zunächst verwirrt und das Interesse weckt. Sie sollen dann mithilfe des Modells der Elementarmagnete versuchen das gezeigte Phänomen zu erklären.

Nötige Vorkenntnisse

Die SuS können den Magneten als Zusammensetzung aus Nord- und Südpol beschreiben. Zudem sollten die magnetischen Wechselwirkungen bekannt sein. Die Wirkung eines Magnet auf verschiedene Gegenstände sollte bekannt sein. Außerdem sollten die SuS Stoffe nennen können welche von einem Magneten angezogen werden. Im besten Fall nicht nur Eisen. Darüberhinaus sollte der Prozess der Magnetisierung bekannt sein. Die Kenntnis der beiden Begriffe des Para- und des Diamagnetimus sind hier von Vorteil.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Die Nägel sind evtl. zu klein, dass die SuS diese gut erkennen können. Es bietet sich evtl. an das Experiment mit einer Dokumentenkamera zu filmen.

Abb.1: Versuchsaufbau um die Existenz der Curie-Temperatur am Beispiel eines Eisennagels zu demonstrieren.

Abb.2: Versuchsaufbau um die Existenz der Curie-Temperatur am Beispiel eines Stücks Gadolinium zu demonstrieren.

Abb.3: Magnetisierung eines Gadolinium-Einzelkristalls als Funktion des äußeren Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Temperatur.

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

Zwei Stative und zwei Muffen
Kanthaldraht (resistent gegen höhere Temperaturen)
Hufeisenmagnet
Bunsenbrenner und Feuerzeug
Zwei Eisennägel ( $T_{C}=768^{\circ }C$ )
Stück Gadolinium ( $T_{C}=19,3^{\circ }C$ )
Becherglas mit Wasser zum Abkühlen der Eisennägel
Alufolie
Kältespray

Versuchsaufbau

Allgemein
Klassenstufe	Klasse 7/8
Kategorie	Magnetostatik
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Magnetismus und Elektromagnetismus, Punkt 3.2.4 (1)

Klassifikation
Quantitativ/Qualitativ	Qualitativ
Demo-/Schülerexperiment	Demonstrationsexperiment
Unterrichtsphase	Vertiefung
Einzelversuch/Versuchsreihe	Einzelversuch

Schritt 1: In einem ersten Schritt werden zwei Stative aufgebaut um zum einen den Hufeisenmagneten und zum anderen das Fadenpendel mit dem Eisennagel zu befestigen. Der Hufeisenmagnet kann auch nur auf einen erhöhten Tisch gestellt werden.
Schritt 2: Bevor der Hufeisenmagnet mithilfe einer Muffe befestigt wird sollte er zum Schutz vor der Flamme mit Alufolie umwickelt werden. An den Hufeisenmagnet wird nun der erste Eisennagel geheftet.
Schritt 3: Am anderen Stativ wird ein Fadenpendel bestehend aus dem Kanthaldraht und einem Eisennagel befestigt.
Schritt 4: Nun wird das Fadenpendel ausgelenkt und die beiden Staive so positioniert, dass die Spitzen der beiden Eisennägel aneinander hängen bleiben.

Der Eisennagel am Fadenpendel wird im zweiten Teil des Experiments durch das Stück Gadolinium ersetzt.

Versuchsdurchführung

Der Bunsenbrenner wird nun in Betrieb genommen und die Flamme wird unter die Verbindungsstelle der Eisennägel platziert. Im zweiten Versuchsteil wird das Gadoliniumstück vorher mit einem Kältespray abgekühlt und anschließend an die Spitze des Eisennagels am Hufeisenmagneten befestigt. Da die Curie-Temperatur von Gadolinium ungefähr 20 °C beträgt, ist die Raumtemperatur ausreichend um das Gadolinium über die Curie-Temperatur hinaus zu erwärmen.

Um das Experiment durchzuführen muss mit einem Busenbrenner der Eisennagel am Fadenpendel über die Curie-Temperatur hinaus erhitzt werden.

Auswertung

Beim Erwärmen mit dem Brenner fällt der Eisennagel ab. Dies liegt an der Eigenschaft des Eisens. Eisen ist bei Raumtemperatur ferromagnetisch. Ab einer Temperatur $T_{C}=768^{\circ }C$ verliert das Eisen seine ferromagnetische Eigenschaft und wird paramagnetisch. Diese Temperatur nennt man auch Curie-Temperatur. Das Gadoliniumstück fällt ebenfalls nach einer gewissen Zeit ab. Dies liegt daran, dass das Gadolinium eine deutlich geringere Curie-Temperatur besitzt als Eisen. Die Curie-Temperatur von Gadolinium beträgt $T_{C}=19,3^{\circ }C$ . Das heißt, dass Gadolinium bei Raumtemperatur paramagnetisch ist.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Bei der Entmagnetisierung des Eisennagels ist darauf zu achten, dass sich lediglich die Spitzen der beiden Nägel berühren, so ist die Entmagnetisierung schneller sichtbar als bei einer erhöhten Kontaktfläche. Bei der Entmagnetisierung von Gadolinium reicht das Herunterkühlen auf Kühlschrank-Temperatur nicht aus. Durch das Befestigen erwärmt sich der Stoff schon zu stark. Daher bietet es sich an entweder das Material in das Gefrierfach zu legen oder mithilfe eines Kältesprays es auf eine möglichst niedrige Temperatur herunterzukühlen.

Sicherheitshinweise

Bei diesem Experiment wird mit einem Kartuschenbrenner gearbeitet. Es besteht deshalb eine Verbrennungsgefahr an den erhitzen Nägeln bzw. dem erhitzten Magneten. Erwärmt sich die Gaskartusche so besteht zusätzlich eine Explosionsgefahr. Der Kartuschenbrenner muss so verwendet werden, dass ein Auslaufen des Flüssiggases ausgeschlossen ist.

Kartuschenbrenner

Fotos

     Versuchsaufbau um die Existenz der Curie-Temperatur am Beispiel eines Eisennagels zu demonstrieren.

    Versuchsaufbau um die Existenz der Curie-Temperatur am Beispiel eines Stücks Gadolinium zu demonstrieren.

     Magnetisierung eines Gadolinium-Einzelkristalls als Funktion des äußeren Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Temperatur.

     Um das Experiment durchzuführen muss mit einem Busenbrenner der Eisennagel am Fadenpendel über die Curie-Temperatur hinaus erhitzt werden.

Literatur

↑ C.D. Graham, Jr. (1965): Magnetic behavior of gadolinium near the curie point. In: Journal of applied physics, Volume 26, No. 3.
↑ S. Yu. Dan'kov et al. (1998): Magnetic phase transition and the magnetothermal properties of gadolinium. In: Physical Review B, Volume 57, Number 6.

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0

[1] C.D. Graham, Jr. (1965): Magnetic behavior of gadolinium near the curie point. In: Journal of applied physics, Volume 26, No. 3.

[2] S. Yu. Dan'kov et al. (1998): Magnetic phase transition and the magnetothermal properties of gadolinium. In: Physical Review B, Volume 57, Number 6.

[1]

[2]

EXP

EXP:Curie-Temperatur von Eisen und Gadolinium

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