Magnetische Suszeptibilität

Die magnetische Suszeptibilität (v. lat. susceptibilis „Übernahmefähigkeit“) ist eine Materialeigenschaft, welche die Fähigkeit der Magnetisierung in einem externen Magnetfeld angibt. In vielen Fällen ist sie eine Proportionalitätskonstante, das Verhältnis von Magnetisierung zu magnetischer Feldstärke. Im Allgemeinen ist sie eine Funktion, die von einer Vielzahl von Variablen abhängen kann – insbesondere vom Ort, der Frequenz des Magnetfeldes und der vorhergehenden Magnetisierung. Der Wertebereich geht von −1 bis unendlich, wobei negative Werte eine Magnetisierung entgegen dem äußeren Magnetfeld bedeuten.

Einen ähnlichen Zusammenhang zwischen Polarisierung und elektrischem Feld bezeichnet man als (di-)elektrische Suszeptibilität. Die magnetische Suszeptibilität ist außerdem eng mit der magnetischen Permeabilität verwandt.

Definition

Allgemein lässt sich die magnetische Suszeptibilität als Ableitung

\chi _{m}={\frac {\partial M}{\partial H}}

definieren, also der Änderung der Magnetisierung $M$ bei Änderung der magnetischen Feldstärke $H$ . Ist die Abhängigkeit linear, reduziert sich die Definition zu

\chi _{m}={\frac {M}{H}}

.

In dieser Form gibt es einen einfachen Zusammenhang mit der relativen magnetischen Permeabilität:

\mu _{r}=\chi _{m}+1

Dieser folgt aus der Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte B von der Magnetisierung M und der magnetischen Feldstärke H. Für die Flussdichte in z.B. einem ferromagnetischen Material kann man schreiben

B=\mu _{0}\mu _{r}H

und

B=\mu _{0}(M+H)

Klammert man in der letzteren Gleichung H aus, gelangt man zu:

B=\mu _{0}H({\frac {M}{H}}+1)=\mu _{0}H(\chi _{m}+1)

woraus sich der oben genannte Zusammenhang zwischen $\mu _{r}$ und $\chi _{m}$ ergibt. Als Massensuszeptibilität hingegen bezeichnet man die Suszeptibilität pro Dichte. Die Suszeptibilität ist einheitenlos.

Klassifizierung magnetischer Materialien

Konstante magnetische Suszeptibilität

Medium	$\chi _{\mathrm {m} }$
Supraleiter	−1
Wasserstoff	8·10⁻⁹
Kupfer	−6,4·10⁻⁶
Wasser	−8,0·10⁻⁶
Aluminium	22,2·10⁻⁶
Platin	265·10⁻⁶

Über das Vorzeichen der Suszeptibilität werden magnetische Stoffe zwei Gruppen zugeordnet:

Diamagneten $\chi _{m}<0$: Diamagnetische Stoffe haben das Bestreben, das Magnetfeld aus ihrem Innern zu verdrängen. Sie magnetisieren sich gegen die Richtung eines externen Magnetfeldes, folglich ist die Suszeptibilität negativ. Diamagnetische Beiträge sind im Allgemeinen temperaturunabhängig und ergeben sich nach dem Prinzip der Lenzschen Regel. Sie sind damit in allen Materialien vorhanden, wenn auch meist nicht dominant.; Einen Sonderfall stellen die Supraleiter dar. Sie verhalten sich im konstanten Magnetfeld als ideale Diamagneten mit $\chi _{m}=-1$ . Dieser Effekt heißt Meißner-Ochsenfeld-Effekt und ist ein wichtiger Bestandteil der Supraleitung.
Paramagneten $\chi _{m}>0$: In paramagnetischen Stoffen richten sich die atomaren magnetischen Momente in externen Magnetfeldern aus und verstärken damit das Magnetfeld im Innern des Stoffes. Die Magnetisierung ist also positiv und damit auch die Suszeptibilität. Die Temperaturabhängigkeit der Suszeptibilität wird durch das Curiesche Gesetz bestimmt. Die Leitungselektronen von Metallen liefern einen weiteren temperaturunabhängigen Beitrag (Pauli-Paramagnetismus).

Materialien mit einer magnetischen Ordnung

Die magnetische Suszeptibilität von Festkörpern mit einer magnetischen Ordnung zeigt ein kompliziertes Verhalten. Oberhalb einer Schwellentemperatur verhält sie sich paramagnetisch, unterhalb hängt sie von weiteren Faktoren ab:

Antiferromagnete: Hier hängt die Suszeptibilität von der Orientierung des Festkörpers im Magnetfeld ab. Liegt letzteres in einer Ebene mit den elementaren magnetischen Momenten, so ist der Zusammenhang zwischen Suszeptibilität und Temperatur näherungsweise linear. Steht das Magnetfeld senkrecht zur jener Ebenen, so ist die Suszeptibilität näherungsweise temperaturunabhängig.
Ferromagnete: Die Suszeptibilität von Ferromagneten hängt von der vorhergehenden Magnetisierung ab, man sagt sie haben ein Gedächtnis. Das Verhalten wird durch eine Hystereseschleife beschrieben. Bei Ferromagneten werden die magnetischen Momente in einem Material parallel zum äußeren Magnetfeld ausgerichtet. Ein Beispiel für einen Ferromagneten ist α-Eisen.
Ferrimagnete: Die Suszeptibilität von Ferrimagneten hängt, wie bei den Ferromagneten, von der vorhergehenden Magnetisierung ab. Der Grund für ihr magnetisches Verhalten ist eine antiparallele Ausrichtung von unterschiedlich großen magnetischen Momenten in einem Kristall. Ein Beispiel für ein ferrimagnetisches Material ist Magnetit (Fe₃O₄).

Ferri- und ferromagnetische Stoffe können als Permanentmagneten verwendet werden.

Weichmagnetische Werkstoffe haben eine Suszeptibilität die praktisch gleich der (relativen) Permeabilität ist. Unterschiede ergeben sich nur bei Dauermagneten oder niederpermeablen Stoffen.

Siehe auch