15. Magnetische Eigenschaften der Festkörper

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1 15. Magnetische Eigenschaften der Festkörper
Magnetit [ mineralienatlas.de ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

2 Ursachen des Magnetismus
Quasigebundene und quasifreie Elektronen Magnetische Momente der Atome: Bahnmagnetismus Spin Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

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9 15.2. Para- und Diamagnetismus
Permeabilität Suszeptibilität Temperaturabhängigkeit (Curietemperatur) Idealer Diamagnetismus bei Supraleitern Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

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11 Langevinscher Paramagnetismus
Der Gesamtdrehimpuls eines Atomes im Grundzustand lässt sich theoretisch über die sogenannten Hundschen Regeln bestimmen. Wichtigste Essenz daraus ist, dass sich der Gesamtdrehimpuls 1. einer abgeschlossenen Schale und 2. einer bis auf ein Elektron halb gefüllten Schale immer zu Null addiert. In allen anderen Fällen besitzt das Atom also ein magnetisches Moment. Die Temperaturabhängigkeit dieses Beitrags wird durch das Curiesche Gesetz beschrieben: Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

12 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Paul Langevin ( ) ESPCI Paris Neutronenmoderator Langevin-Gl. der Statistik Langevin-Funktion Piezoelektrizität für Sonar [ Wikipedia ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

13 Magnetisierung ~ Langevin-Funktion
m - Magnetisches Moment eines Teilchens B - Betrag des angelegten äußeren Magnetfeldes Magnetisierung M eines Paramagneten M = NmL(ξ) N steht dabei für die Stoffmenge und m für das magnetische Moment der einzelnen Spins des Paramagneten. Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

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Pierre Curie ( ) Paris Piezoelektrizität 1896 Curie-Gesetz 1907 Curie-Weiss-Gesetz Curie-Konstante Curie-Temperatur 1903 Nobelpreis (Ra, Po) [ Wikipedia ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

15 Pierre-Ernest Weiss (1865 – 1940)
Zürich Lyon, Rennes 1907 Molekularfeld- Näherung Curie-Weiss-Gesetz Weiss‘sche Bezirke Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

16 Pauli-Paramagnetismus
[ Bergmann/Schäfer ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

17 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Wolfgang Pauli ( ) Studium in München bei A. Sommerfeld; Assistent bei M.Born Pauli-Prinzip 1925 Prof. in Hamburg, ETH, Ab 1935 USA (Princeton) Ph-Nobelpreis 1945 [ nobelprize.org ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

18 Pauli-Paramagnetismus
[ Hunklinger ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

19 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
John H. van Vleck ( ) US-amerik. Physiker 1977 Nobelpreis zusammen mit Nevill F. Mott und Philip W. Anderson "für die grundlegenden theoretischen Leistungen zur Elektronenstruktur in magnetischen und ungeordneten Systemen" [nobelprize.org ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

20 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
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21 Diamagnetische Levitation
[ ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

22 Diamagnetische Levitation
[ ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

23 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
[ G. Hilscher ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

24 15.3 Ferro-, Antiferro- und Ferrimagnetismus
Barkhauseneffekt Hysterese Remanenz Koerzitivfeldstärke Ferrimagnetika Austauschenergie Néel-Temperatur Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

25 Heinrich Barkhausen (1881-1956)
Promo in Göttingen zu elektrischen Schwingungen Industrie (Siemens) 1910 Habil. TH Berlin ab 1911 TH Dresden B.- Rauschen B.- Effekt Elektronenröhren [ wikipedia ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

26 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Barkhausen-Versuch [ R. Schäfer ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

27 Barkhausen-Versuch: Sättigung – keine Sprünge
[ R. Schäfer ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

28 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Austauschenergie [ H. Zabel ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

29 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Austauschenergie [ Bergmann/ Schäfer ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

30 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Ising-Modell [ H. Zabel ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

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[W. Brewer] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

32 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
[ H. Zabel ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

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Ferromagnetismus: Material Curie-Temperatur TC [K] Co 1404 Fe 1043 Ni 631 Gd 289 V2A < TRT M MS MR HC HC H χ Magnetisierungskurve M = f(H) blau – Verlauf der Neukurve MS - Sättigungsmagnetisierung MR Remanenz HC - Koerzitivfeldstärke TC T Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

34 Kristallanisotropie:
Magnetisierungsverhalten von Ferromagnetika: H Kristallanisotropie: Drehung der Magnetisierungs-richtung Basisebene H [kAm-1] M [Vsm-2] 0.04 0.08 0.12 20 40 60 80 Magnetisierungskurve für Co hexagonale Achse M irreversible Wandverschie-bungen H H reversible Wandverschie-bungen H Festkörper (M=0, H=0) Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

35 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Magnetische Domänenstrukturen: a) b) Entstehung ferromagnetischer Bereiche (a) ohne (b) mit Abschlußbereichen N S Bloch - Wand Néel - Wand Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

36 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
[ R. Gross ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

37 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
[W. Brewer] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

38 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
[W. Brewer] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

39 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Louis Néel ( 1904 – 2000 ) Franz. Physiker 1970 Nobelpreis (Antiferromagnetismus u. Ferromagnetismus) Néel-Temperatur Néel-Wand [ nobelprize.org ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

40 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
[ R. Gross ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

41 Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
[ H. Zabel ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

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[ R. Gross ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

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[ H. Zabel ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14

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