Suszeptibilität

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Was ist magnetische Suszeptibilität?

Die magnetische Suszeptibilität χ (lateinisch suscipere = übernehmen) beschreibt, ähnlich wie die magnetische Permeabilität, wie gut ein magnetischer Fluss ein Material durchdringen kann. Während die Permeabilität den gesamten Fluss im Inneren eines Festkörpers angibt, bezeichnet die Suszeptibilität nur den von der Materie übernommenen Anteil des magnetischen Flusses. Die Suszeptibilität χ ist deshalb genau um 1 kleiner als die Permeabilität μ: χ=μ-1.

Inhaltsverzeichnis

Suszeptibilität (lateinisch suscipere = übernehmen) ist eng mit Permeabilität (lateinisch permeare = durchlassen) verbunden. Die Suszeptibilität beschreibt die magnetische Polarisation bei einer äußeren magnetischen Flussdichte, also die Magnetisierung im äußeren Magnetfeld. Abgekürzt wird die Suszeptibilität mit dem griechischen Buchstaben χ.

Die Permeabilität beschreibt das gesamte Feld, wie es unter dem Einfluss der polarisierten Materie vorliegt.

Bestimmung der magnetischen Suszeptibilität

Betrachtet man die Magnetisierung M eines Materials in einem äußeren Magnetfeld H₀, so ist die Magnetisierung direkt durch die Suszeptibilität χ gegeben. Es gilt: M= χ•H₀.

Das gesamte Magnetfeld H ist dann die Summe aus der Magnetisierung und dem einfallenden Magnetfeld H₀: H= M+H₀=χ•H₀+H₀=(χ+1)•H₀.

Ebenso kann man schreiben: H=μ•H₀. Diese Gleichung drückt aus, dass das gesamte Magnetfeld im Inneren bzw. an der Oberfläche der Materie proportional zum einfallenden Feld ist. Der Proportionalitätsfaktor ist die Permeabilität. Ein Beobachter würde diese Feldstärke an der Oberfläche des Materials messen. Könnte ein Beobachter jedoch zwischen dem Teil des ursprünglich einfallenden Feldes und dem durch die Magnetisierung hervorgerufenen Feld unterscheiden, so würde er feststellen, dass die Magnetisierung gerade durch die Suszeptibilität als Proportionalitätsfaktor beschrieben wird.

Es gilt also M= χ•H₀. Die Suszeptibilität gibt den Teil an, welcher von der Materie "aufgenommen" wurde. Die Summe aus diesem Teil und dem ursprünglich vorhandenen Teil ist dann das "durchgelassene" Magnetfeld H.

Es gilt also H= M+H₀=χ•H₀+H₀=(χ+1)•H₀=μ•H₀.

Somit gilt der einfache Zusammenhang μ=χ+1 zwischen der Permeabilität μ und der Suszeptibilität χ.

Die Abbildung zeigt den Verlauf der Feldlinien des Magnetfeldes H durch ein para- bzw. ferromagnetisches Material mit (μ =2,χ=1) (links) und um einen Supraleiter mit (μ =0, χ =-1) herum (rechts). Dabei ist das ursprünglich einfallende Feld als blauer Pfeil eingezeichnet und die Magnetisierung als roter Pfeil.In einem ferromagnetischen Material ist die Magnetisierung positiv und damit dem ursprünglichen Feld gleichgerichtet. Dies ist immer der Fall, wenn χ > 0, das Material also das Magnetfeld in gleicher Richtung "aufnimmt" und damit verstärkt.In einem Diamagneten dagegen ist die Magnetisierung dem einfallenden Feld gerade entgegengerichtet. Das aufgenommene Feld ist negativ und damit χ < 0.Während die positive Feldverstärkung sogar ein Vielfaches größer sein kann als das einfallende Feld, ist die negative Abschwächung maximal bis zur vollständigen Kompensation des Feldes möglich. Diese vollständige Kompensation tritt in Supraleitern auf. Für den Supraleiter gilt χ = -1. Somit μ = 0. Der Supraleiter lässt also gar kein Feld durch. Ein Supraleiter ist demnach ein "perfekter Diamagnet".

Die positive bzw. negative Aufnahme des magnetischen Feldes kann man sich klarmachen, indem man den Grund für Paramagnetismus, Ferromagnetismus bzw. Diamagnetismus vor Augen hält.

Besitzt ein Material Elementarmagnete, sogenannte magnetische Momente, welche sich im äußeren Feld ausrichten können (dies sind im Allgemeinen ungepaarte Elektronenspins), so wird das Material selbst zu einem Magneten, der durch das äußere Feld "aktiviert" wurde. Das gesamte Magnetfeld kann um ein Vielfaches größer sein als das einfallende Feld.

Gibt es keine einzelnen Elektronenspins im Material, so besitzt das Material keine magnetischen Momente. In diesem Fall überwiegt ein schwacher Effekt, der immer vorhanden ist, nämlich der Diamagnetismus. Er entspricht einer Induktion eines Kreisstromes beim Einbringen der Materie in das Magnetfeld. Dieser Kreisstrom ist nach der Lenzschen Regel dem äußeren Magnetfeld (seiner Ursache) entgegengerichtet und demnach ist die Magnetisierung des Diamagneten auch dem äußeren Feld entgegengerichtet.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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