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5.4.3 Paramagnetismus
Gleichrichtung der magnetischen Momente in bestimm-
nach dem Franzosen Pierre-Ernest Weiss benannt sind, der
1907 die Bereichsstruktur theoretisch vorhersagte. Diese
sind durch Regionen von etwa
0;1
m Dicke voneinan-
der getrennt, den sogenannten Bloch-Wänden, benannt nach
Felix Bloch
57
, der 1932 eine atomistische Theorie für die
Bereichswände entwickelte. Die Ursache dieser Gleichrich-
tung liegt darin, dass für manche Metalle (wie etwa Eisen,
Nickel, Kobalt) die Atome im Kristallgitter so dicht ge-
packt sind, dass ein Austausch von Elektronen zwischen
benachbarten Atomen möglich ist. Dieser Austausch ist ein
quantenmechanischer Effekt, verbunden mit einer großen
Energie, der sogenannten Austauschenergie des Metalls.
Die Austausch-Wechselwirkung verursacht ein sehr star-
kes molekulares Feld im Kristall, welches die atomaren
magnetischen Momente exakt parallel ausrichtet und zur
sogenannten spontanen Magnetisierung
J
sp
führt. Die Aus-
dehnung der weissschen Bezirke liegt in der Größenordnung
von
1
m. Innerhalb dieser Bezirke herrscht Sättigungs-Ma-
gnetisierung, d. h. alle elementaren magnetischen Momente
sind vollständig ausgerichtet. Allein weil die Magnetisie-
rungsrichtungen der weissschen Bezirke statistisch verteilt
sind, besitzen Kristalle in der Regel kein makroskopisches
magnetisches Moment.
Werden ferromagnetische Stoffe erhitzt, verlieren sie
oberhalb der ferromagnetischen Curie-Temperatur T
C
ih-
re spontane Magnetisierung. Für Temperaturen oberhalb
der paramagnetischen Curie-Temperatur T
C
wird die Sus-
zeptibilität paramagnetisch und
›
1
wird proportional zu
ferromagnetische Materialien einige Grade oberhalb der
ferromagnetischen Curie-Temperatur. Diese liegt für fer-
romagnetischer Minerale zwischen 300 °C und 800 °C. Dies
entspricht Tiefen in der Erdkruste von etwa 20 km bis 30 km.
Neben dem Ferromagnetismus, der durch die parallele
Ausrichtung aller magnetischen Momente gekennzeichnet
ist, gibt es weitere Formen der magnetischen Gleichrichtung:
Antiferromagnetismus liegt vor, wenn exakt gleich viele
magnetische Momente parallel und antiparallel ausgerichtet
sind. Antiferromagnetismus entsteht, wenn bei bestimmten
Metalloxiden ein Elektronenaustausch zwischen den Me-
tallionen über die Elektronenwolke des Sauerstoffs möglich
wird, was in der Regel nicht der Fall ist. Dieser sogenann-
In manchen Elementen oder Stoffen, insbesondere solchen
mit unvollständig gefüllten Elektronenschalen, besitzen ei-
nige Ionen unkompensierte Elektronenspins und somit ma-
gnetische Momente. Diese Ionen verhalten sich daher wie ei-
genständige Magnete. Wegen der thermischen Bewegung ist
deren Ausrichtung allerdings statistisch verteilt. In Gegen-
wart eines äußeren magnetischen Erregungsfelds wird diese
statistische Gleichverteilung der magnetischen Momente je-
doch in Richtung des äußeren Erregungsfelds
H
verschoben:
Die induzierte Magnetisierung ist proportional zur Stärke
des Erregungsfelds und parallel zu dessen Orientierung. Da-
her ist die resultierende Suszeptibilität positiv und reversibel.
Im vergleichsweise schwachen Erdmagnetfeld erfolgt die
Ausrichtung der magnetischen Momente jedoch nicht voll-
ständig. Die Suszeptibilitäten sind daher klein und liegen
in der Größenordnung
10
4
m
3
m
3
6 › 6 10
5
m
3
m
3
.
Paramagnetismus ist daher wie Diamagnetismus in der Geo-
physik meist von untergeordneter Bedeutung. Viele Ton-
minerale und andere gesteinsbildende Minerale sind bei
Zimmertemperatur paramagnetisch (u. a. die Schichtsilika-
te der Chlorit-Gruppe ([Fe,Mg,Al]
6
[Si,Al]
4
O
10
(OH)
8
/
,die
Kettensilikate der Amphibol- und Pyroxen-Gruppen sowie
das Orthosilikat Olivin ([Mg,Fe,Mn]
2
SiO
2
/
.
Eine wichtige Eigenschaft paramagnetischer Stoffe ist
ihre umgekehrt proportionale Abhängigkeit von der Tempe-
ratur, die durch das Curie-Gesetz beschrieben wird:
› D
c
=
T
;
(5.56)
wobei c eine Materialkonstante ist. In Festkörpern und Flüs-
sigkeiten kann es zu einer starken Wechselwirkung zwischen
Ionen kommen, wodurch ein ferromagnetisches Verhalten
tritt in diesen Fällen dann nur oberhalb eines Grenzwerts
für die thermische Energie auf, der sogenannten parama-
gnetischen Curie-Temperatur bzw. Weiss-Konstante T
C
.Für
paramagnetische Festkörper liegt T
C
nahe bei 0 K. Bei
Temperaturen T
>
T
C
folgt
›
dem sogenannten Curie-
Weiss-Gesetz:
› D
c
=.
T
T
C
/:
(5.57)
5.4.4 Ferro- (Ferri-)Magnetismus
57
Felix Bloch (Schweiz & USA, 1905-1983), Physiker, Schüler von
Werner Heisenberg in Leipzig, Professor an der Stanford University,
veröffentlichte grundlegende Arbeiten zur Quantentheorie des Festkör-
pers, Elektronengastheorie der metallischen Leitung und Abbremsung
von Teilchen beim Durchqueren von Materie sowie zum Ferromagne-
tismus (1930 Theorie der Spin-Wellen) und zur Quantenelektrodyna-
mik. Er erhielt 1952 den Nobelpreis für Physik (gemeinsam mit E. M.
Purcell) für die Entwicklung der Kernresonanzmethode (NMR) und
war von 1954 bis 1955 der erste Direktor des Europäischen Kernfor-
schungszentrums CERN.
Der Ferromagnetismus unterscheidet sich seinem Wesen
nach vom Para- und Diamagnetismus: Zu seinem Entstehen
bedarf es keines äußeren Erregungsfelds. Es handelt sich da-
her nicht um einen induzierten, sondern vielmehr um einen
remanenten, den Stoffen innewohnenden Magnetismus.
In Festkörpern und Flüssigkeiten kann die Wechselwir-
kung zwischen Ionen sehr stark sein. Dies führt zu einer
