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Superparamagnetismus: Was ist damit gemeint?

Zustand sehr kleiner ferromagnetischer Teilchen, in dem die Energiebarriere KV für die Ummagnetisierung klein gegenüber der thermischen Energie ist, sodass sich die Magnetisierung thermisch umkehrt und die Koerzitivfeldstärke nahezu null ist.

Japanische Bezeichnung: 超常磁性

„Superparamagnetismus“ kommt in 2 Übungsfragen aus 1 Thema vor, darunter Magnetische Werkstoffe.

Fachgebiet: Magnetische Werkstoffe

Selbst ausprobieren: Fragen zu Superparamagnetismus

Die Energiebarriere für die thermische Umkehr der Magnetisierung eines Eindomänenteilchens mit dem Volumen V sei KV (K: magnetische Anisotropiekonstante); bei einer Messzeit von etwa 100 s gilt KV = 25kT als Richtwert für die Grenze zum Superparamagnetismus. Welcher Wert kommt mit K = 1,1×10⁴ J/m³, einer Temperatur von 300 K und der Boltzmann-Konstante k = 1,38×10⁻²³ J/K der Obergrenze des Durchmessers eines kugelförmigen Teilchens, das superparamagnetisch wird, am nächsten?

  1. Aca. 9 nm
  2. Bca. 13 nm
  3. Cca. 26 nm
Lösung und Erläuterung anzeigen

Lösung: C. ca. 26 nm

Das Grenzvolumen beträgt V = 25kT/K = 25 × 1,38×10⁻²³ × 300/(1,1×10⁴) ≈ 9,4×10⁻²⁴ m³. Aus dem Kugelvolumen V = πd³/6 folgt d = (6V/π)^(1/3) ≈ 2,6×10⁻⁸ m; Teilchen mit einem Durchmesser von ca. 26 nm oder weniger werden also superparamagnetisch. Ca. 13 nm ist der Radius, der fälschlich als Durchmesser angegeben wurde, ca. 9 nm lässt den Faktor 25 weg und setzt KV = kT. Der Faktor 25 ergibt sich mit einer charakteristischen Versuchszeit der Umkehr von etwa 10⁻⁹ s aus ln(100 s/10⁻⁹ s) ≈ 25. Da der Durchmesser umgekehrt proportional zur dritten Wurzel aus K ist, können Werkstoffe mit größerer Anisotropie ihre Magnetisierung auch in kleineren Teilchen stabil halten.

„Superparamagnetismus“ in den Erläuterungen

Fragen, in denen „Superparamagnetismus“ vorkommt (2)

  1. Die Energiebarriere für die thermische Umkehr der Magnetisierung eines Eindomänenteilchens mit dem Volumen V sei KV (K: magnetische Anisotropiekonstante); bei einer Messzeit von etwa 100 s gilt KV = 25kT als Richtwert für die Grenze zum Superparamagnetismus. Welcher Wert kommt mit K = 1,1×10⁴ J/m³, einer Temperatur von 300 K und der Boltzmann-Konstante k = 1,38×10⁻²³ J/K der Obergrenze des Durchmessers eines kugelförmigen Teilchens, das superparamagnetisch wird, am nächsten?
  2. Wie ändert sich die Koerzitivfeldstärke von Teilchen eines Ferromagneten, wenn man sie von einigen µm bis auf nm-Größe verkleinert?

Verwandte Begriffe

Koerzitivfeldstärke Weiss-Bezirk Domänenwand (Bloch-Wand) Ferrimagnetismus Magnetokristalline Anisotropie Maximales Energieprodukt Sättigungsmagnetisierung Wirbelstromverluste

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