Magnetismus von Festkörpern - Department Chemie und Biologie

Magnetismus von Festkörpern
Suszeptibilität: Die Stärke eines Magnetfeldes kann durch die magnetische Induktion B
(=Flussdichte) beschrieben werden. Wird ein Körper in ein Magnetfeld gebracht, so herrscht im
Innern dieses Körpers eine andere magnetische Induktion, abhängig von der Art des Körpers.
Dieses Verhalten kann durch die Suszeptibilität χ in der Formel Binnen = Baußen + J wiedergegeben
werden, wobei J = χ v × Baußen ist. Je größer also die Suszeptibilität, desto größer die magnetische
Induktion des Körpers.
Diamagnetismus: Diamagnetisch sind Stoffe, bei denen alle Elektronen gepaart sind. Bei diesen
Stoffen heben sich die Spin- und Bahnmomente der Elektronen auf, sie haben also kein
magnetisches Moment. Dadurch ist die durch ein äußeres Magnetfeld induzierte magnetische
Polarisation dem äußeren Feld entgegengerichtet, wodurch χ < 0 ist.
Paramagnetismus: Paramagnetisch sind Stoffe, bei denen Elektronen ungepaart auftreten. Sie
besitzen dadurch magnetische Momente, die ohne äußeres Feld statistisch verteilt sind und sich
daher gegenseitig aufheben, sich im Magnetfeld aber in Feldrichtung orientieren, wodurch χ > 0 ist.
Die Suszeptibilität paramagnetischer Stoffe ist, anders als die diamagnetischer, temperaturabhängig:
sie nimmt mit steigender Temperatur proportional ab.
Dies gibt das Curie-Weiss-Gesetz wieder: χpara = C / T, wobei T die Temperatur und C eine
stoffspezifische Konstante ist.
Kooperativer Magnetismus:
Bisher wurden Festkörper betrachtet, deren magnetische Momente sich gegenseitig nicht
beeinflussen. Ist dies jedoch der Fall, so resultiert daraus eine Spinordnung im Körper, die sich
ohne äußeres Magnetfeld einstellt. Die drei wichtigsten Arten des kooperativen Magnetismus sind
im Folgenden dargestellt:
Ferromagnetismus: Die magnetischen Momente sind parallel orientiert, also ist χ >> 0.
Makroskopisch resultiert trotzdem kein Magnetismus, da sich die Momente nur in kleinen
Bereichen (Weiss`schen Bereichen) parallel orientieren, diese Bereiche aber "gegeneinander"
stehen und statistisch verteilt sind. Erst wenn der Körper in ein Magnetfeld gebracht wird, richten
sich alle Momente in die gleiche Richtung aus. Nimmt man den Körper aus dem Magnetfeld, so
bleibt diese Ausrichtung wegen der Wechselwirkungen der Momente erhalten - ein
Permanentmagnet ist entstanden. Die Suszeptibilität ist temperaturabhängig: Je kleiner T, desto
größer χ. Über einer bestimmten Temperatur bricht die Kopplung der Momente zusammen, es
resultiert Paramagnetismus. Beispiele für Ferromagnete sind Fe, Co, Ni und CrO2.
Ferrimagnetismus: Bei Ferrimagneten sind die magnetischen Momente antiparallel zueinander
orientiert und in einer Richtung stärker als in die andere; dadurch verhalten sie sich wie schwache
Ferromagnete.
Beispiele für Ferrimagnete sind Magnetit (Fe3O4) sowie verschiedene Ferrite.
Antiferromagnetismus: Die magnetischen Momente sind antiparallel zueinander orientiert und
gleichstark; bei 0 Kelvin ist der Körper daher diamagnetisch. Mit steigender Temperatur steigt auch
die Suszeptibilität, weil die Kopplung der magn. Momente durch die Teilchenbewegung teilweise
gestört wird, bis zu einer bestimmten Temperatur, bei der die Kopplung vollständig
zusammenbricht. Ab dieser verhält sich der Körper paramagnetisch, die Suszeptibilität sinkt also
mit steigender Temperatur. Beispiele für Antiferromagnetismus liefern MnO, CoO, NiO und Fe2O3.
Literatur: Anorganische Chemie (Riedel/Janiak, de Gruyter, 7. Auflage)
Fragen:
1. Skizzieren Sie mit Pfeilen die gegenseitige Orientierung der magnetischen Momente für
paramagnetische, ferromagnetische, ferrimagnetische und antiferromagnetische Materialien.
2. Erklären Sie die Weiss`schen Bereiche.