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Der magnetooptische Kerr-Effekt bei ferromagnetischen Verbindungen.

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6 . Der magnetoopt4sohe Eerr-EffeRt
6ei ferromrcgmetischen Ver64ndungen I) ;
von P. Mart4n.
[Aus dem Bosschs-Laboratorium.]
____
Kiirzlich erschienen in diesen Annalen Untersuchungen
des Hrn. L o r i a iiber die magnetooptischen Eigenschaften
der neugewonnenen ferromagnetischen Legierungen und Verbindungen. Und zwar kamen von letzteren namentlich Magnetit
(Ferroferrit) und Cupriferrit in Betracht , welche beide eine
charakteristische Dispersionskurve mit Inversionspunkt aufweisen. Auf Veranlassung von Hrn. d u B o i s habe ich nunmehr diese infolge aul3erer Umstiinde abgebrochene Arbeit an
neuem Material fortgesetzt, urn durch Messung mehrerer Dispersionskurven einen allgemeineren Uberblick zu gewinnen. Dabei
beschrbke ich mich hier auf die Bestimmung der Dispersion
verschiedener Mangan- und Eisenverbindungen. Die Literatur
ist von Hrn.L o r i a eingehend besprochen, so daB es sich eriibrigt, darauf wieder einzugehen; ich babe seine Versuchsanordnung weiter benutzt und es mag daher such deswegen
auf seine Veriiffentlichung hingewiesen sein; der geradsichtige
lichtstarke Monochromator wurde einer neuen Kalibrierung
unterzogen. E s wurden durchweg Polspitzen ( 7 ) mit recht1) Vorl. Mitteilung: P. M a r t i n , Versl. Akad. Wet. Amst. 21. p. 211.
1912, welche such eine Neubestimmung der friiher von Hrn. d u B o i s
gemessenen Dispersion der drei Metalle enthiilt; dazu wurden mir von
Hm. Prof. P. W e i s s freundlichst Proben iiherlsssen, deren Silttigungswerte er bestimmt hatte; Beimischungen hsben einen erheblichen EinfluS
suf die Dispersion.
2) St. L o r i s , Versl. Akad. Wet. Amst. 18. p. 903. 1910; 20.
p. 1086. 1912; Ann. d. Phys. 38. p. 889. 1912. Seine ersten Ergebnisse,
insbesondere betreffs Msgnetit und Heuslersche Legierung, wurden
seitdem bestltigt von P. D. F o o t e , Phys. Rev. (2) 34. p. 96. 1912 und
ganz neuerdings von W. D z i e w u l s k i , Physik. Zeitsohr. 13. p. 642. 1912.
Beide bestimmteu such die Elliptizitiit.
Annalen der Physik. IV. Folge. 39.
40
P.Xartiii.
ti26
eckiger Bohrung verwendet, cleren Profil, (2,5 x 4 mm) fast
immer von der ChoBe des Spiegels iibertroffen wurde; letztere
hatten sehr unregelmaBige Gestalt und waren haufig nur
niangelhaft spiegelncl ; sie wurden mittels Gips befestigt und
bei nahe senkrechter Inzidenz beobachtet.
Da eine einfache Beziehung zwischen den rein optischen
Konstanten und der Dispersionskurve des K e r r-Effektes von
Hrn. L o r i a vergeblich gesucht wurde, habe ich von der Bestimmung der ersteren diesmal abgesehen, zumal die Messung des Rrechungs- und Extinktionsindex l) leicht nachgeholt
werden kann. Uei meinen samtlichen Substanzen war die
Extinktion gut, mithin die Elliptizitat nur sehr gering; angesichts der vielfach auch nur sehr kleinen Drehungen erschien
ihre Bestimmung vorlilufig kaum durchfiihrbar, wenn auch an
und fur sich gewiS erwunscht; ob die Voigt-Dziewulskische
(1. c.) Methode uriter diesen Umstanden bei kleinen mangelhaften Spiegeln anwendbar ware, IaiBt sich schwer beurteilen.
Das Versuchsmnterial ist nachfolgend naher spezifiziert :
&hanganverbindungen. ,,Mn 6 5 , Sn 35" = Yn,Sn und
,,Nn 35, Sb 65LL= MnSb ungefiihr wurden mir von Hrn. Prof.
T a m m a n n giitigst zur Verfiigung gestellt. Die Verhaltnisse
der zusammengesetzten Metalle entsprechen nach Hrn. H o n d a
den am meisten ferromagnetischen Verbindungen bzw. Legierungen.? AuBerdem versuchte ich eine Probe MnSb und
MnB von Hrn. Prof. W e d e k i n d , sowie MnBi von Hrn. Dr.
H i l p e r t . Das metallische Mangan fand Hr, L o r i a inaktiv.
Eisenverbindu?zgen. Ein Stuck einer vorwiegend aus Cementit.
dem Eisenkarbid Fe,C, bestehenden Kohlenstofflegierung hat
mir Hr. Dr. H i l p e r t freundlichst verschafft Normales Pyrrhotin
(Fe,S,) verdanke ich Hrn. Prof. P. Weiss in Ziirich. AuSerdem wurden derber Magnetkies und amorphes Schwefeleisen
aus den Laboratoriumsbestanden untersucht. Auch einen Cereisenzundstift habe ich zu Qersuchen herangezogen.
Den genannten Herren, die mir bei Beschaffung des
Materials entgegenkamen , mochte ich hier meinen besten
Dank aussprechen.
1)
2)
Vgl. D.Enskog, Ann. d. Phys. 38. p. 731. 1912.
K.H o n d a , Ann. d. Phys. 32. p. 1003. 1910.
627
Der mapetooptische Kerr-Effekt iisw.
In den folgenden Tabellen sind enthalten: I , die Wellenlange des betrachteten Lichtes, in p,p; A die in Millimetern
an der Skala abgelesene doppelte Drehung bei Kommutierung
des Stromes; a die einfache Drehung, in Minuten ausgedruckt;
f Ja, der mittlere Fehler in Minuten bzw. in Prozent. N bedeutet die Anzahl der bei jeder Stromrichtung ausgefuhrten
Ablesungen, welche je nach der GrOSe des Spiegels und der
Lichtstkke 20-70 betrug.
Manganverbindungen.
Manganborid l) (YnB). Meine Versuche hier irgend eine
Drehung zu beobachten, ergaben nur einen negativen Erfolg.
Obgleich das Material poras war und deshalb der Spiegel
nicht sehr hell, habe ich mich iiberzeugen kiinnen, daf3 die
Drehnng, falls es iiberhaupt eine g%be, kleiner als 0," sein
mu6te.
Manyanzinn. (Mn 65, Sn 35 = Mn,Sn). Die Dispersionskurve verliluft hierbei ganz im Bereiche negativer Werte (Fig. 1).
Die Kurve, welche im Violett ziemlich steil abnimmt, erreicht
0,
E
-1'-
-
-
-2'-
d
-3'-
-4'
-
-s
-
- b
I
430
450
500
550
6W
6%
680
ein numerisches Minimum imiBlau und nimmt dann allmlihlich
nach Rot wieder zu. DiezDrehung-b-iinkt
sich stets auf
1)
E. Wedekind, Zeitschr. f. physik. Cham. 66. p. 614. 1909.
40'
P. Martin.
628
kleinere Werte, wie es mit Rucksicht auf die geringe Magnetisierbarkeit des Materials zu erwarten war.
Zwei im gleichen Stuck senkrecht zueinander geschliffene
Spiegel ergaben gut ubereinstimmende Resultate, wie die
Tabb. 1 und 2 zeigen.
T a b e l l e 1.
E
= f(A).
Mn,Sn (gesiittigt).
N
(PP)
fl(mm)
20
435
- 14,8
20
466
20
503
20
567
-
I
20
615
20
67 5
- 36,8
AT
ko1P)
d(mm)
15
466
-
530
-13,3
12
567
15
615
5,O
-20,o
-28,4
I
0,13 = O,Z5
* 8.5
0,05’= 6,7
0,03 = 1,3
- 3,OO
4,26
0,04 =
-
(Min.)
- 22,35‘
- 164,6
- 23,19
- 20,46
- 125,O
0,02 = 0,5
- 0,75’
- 148,9
- 153,5
- 154,7
- 119,o
0,02 = 0,7
- 2,oo
E
- 23,02
- 23,21
- 17,36
- 17,86
-18,75
O/,
0,02 = 1,4
~(Min.)
A (mm)
- 136,4
- 115,7
0,07’= 3,l
0,03 = 4
- 1,18
- 3,03
- 4,26
-q 5 2
-
15
fQ E
~(Min.)
- ‘1,24’
- 0,75
5,O
7,9
- 20,2
28,4
Tammann.
1,s
0,04 = 1
I
fd s
-I====0,15’= 0,75 ‘j0
0,06 = 0,25
0,04 = 0,17
0,03 = 0,13
0,03 = O,l5
0,Ol = 0,06
’
0,02 = 0,11
Der magnetooptische Kerr-Xffelit
USUJ.
629
Manganantimonid (Mn 35, Sb 65 = MnSb, nahezu). Das
Tammannsche Material zeigt eine auffallend starke negative
Drehung, die ihren numerisch hijchsten Punkt im Blaugrun
erreicht (Fig. 2), dann steil im Gran abfallt, um ein numerisches
Minimum bei etwa 580 ,up zu durchlaufen; sie wachst dann
wieder langsam nach Rot zu (Tab. 3).
-''L
(Wede Kind)
Fig. 2.
Ein zweites, von Prof. Wedekind stammendes Stuck
MnSb ergab eine ahnliche, dem Charakter nach iibereinstimmende Dispersionskurve (Fig. 2) (Tab. 4). Dabei blieb die
Drehung stets kleiner als beim ersten Stuck. Es ist daher
vermutlich anzunehmen, da8 dieses der ferromagnetischen
Optimumverbindung MnSb besser entspricht , deren Bestehen
P. Martin.
630
von den Herren H i l p e r t und D i e c k m a n n letzhin wahrscheinlich gemacht wurde.')
T a b e l l e 4.
i" L I ' )
30
25
20
21
20
20
21
435
466
503
530
567
615
675
(Min.)
A (mm)
e
-96,l
- 97,l
-97,O
-91,o
- 14,41'
- 14,57
- 80,9
-81,7
- 87,5
- 12,t4
- 12,25
- 14,55
- 13,53
-13,14
I
f 8s
0,16'= 1,l 'lo
0,09 = 0,6
0,05 = 0,3
0,03 = 0,2
0,Ol = 0,l
0,02 = 0,2
0,05 = @,4
Manganbismutid z, (MnBi). Die Drehung, welche an beiden
Enden des Spektrums negativ verlauft (Fig. 3), erreicht ein
positives Maximum bei 530 pp. Invereionspunkte befinden
sich bei 468 pp und 617 pp. Obgleich der Spiegel nicht sehr
I
Fig. 3.
hell war, habe ich doch trotz der recht kleinen Drehungen
ziemlich genau messen kbnnen (Tab.5).
1) Vgl. K.H o n d s , 1. c.; E. Wedekind, Chem. Ber. 40. p. 1266.
1907; S. H i l p e r t u. Th. D i e c k m a n n , Chem. Ber. 44. p. 2833. 1911.
2) S. H i l p e r t u. Th. D i e c k m s n n , Chem. Ber. 44. p. 2831. 1911;
E. Wedekind u. A. Veit, Chem. Ber. 44. p. 2665. 1911.
63 1
Der niagnetooptische Kerr-Effektuszu.
T a b e l l e 6.
E
MnBi (geeirttigt). Hilpert.
= f(A).
n;
__
~
25
25
50
25
21
21
21
i0
30
435
450
466
483
503
530
567
615
675
- 11,o
- 6,7
1,l
-
+ 4,s
+ 8,4
+ 9,9
+ 6,3
+ 0,3
-
6,6
- 1,65'
- l,oo
-0,16
+ 0,72
+ 1,26
+1,48
+0,94
+0,045
-0,99
-f 6s
0,13' = 7,7 O/,
0,07 = 7,3
0,04 -22,O
0,05 = 6,5
0,03 = 2
0,03 = 2
0,03 = 2,8
0,015=33,3
0,02 = 2
Eieenverbindungen.
Cementit, 3isenRarbid (Fe,C). Da das Material vorwiegend
Cementit in nadelftirmigem, kristrtllinischem Gefiige mit anderen
Gemengteilen in Mischung enthalt , ist der Spiegel mittels
schwefliger Saure derart kraftig geatzt worden, da6 nur die
Cementitfliichen ungeiindert reflektierend blieben , indem die
iibrigen Bestandteile stark geschwarzt wurden.
An sechs verschiedenen Stellen ausgefuhrte Messungen
ergaben etwas verschiedene Resultate. Jedoch zeigen alle
Kurven (Fig. 4) eine gewisse Ahnlichkeit; und zwar eine starke
negative Drehung, numerisch maximal im Violett, mit der
Andeutung einer Abnahme gegen das Ultraviolett. Sie nimmt
d a m im Blau steil ab bis ins Griine oder Gelbgrune und
wachst darauf wieder nach Rot zu. Das Kohlenstoffatom des
Karbids bedingt demnach eine grol3e Abweichung der Dispersionskurve von derjenigen des reinen Eisens; dies ist bei der
Untersuchung von Schmiedeeisen oder Stahl wohl zu beachten.
In Fig. 4 und Tabb. 6-9 sind vier der Kurven dargestellt.
Die beiden ubrigen Stellen ergaben eine geringere Drehung.
Die Betrachtung der Ltzfiguren zeigte schon, dat3 eine bessere
Cfbereinstimmung bei einem so komplizierten Gefiige kaum zu
erwarten ist. Aus diesem Grunde erscheint iiberhaupt die
Untersuchung von Legierungen vie1 heikler als diejenige wohldefinierter , einheitlicher und homogener Verbindungen; aus
diesem Grunde wurde in der vorliegenden Arbeit auch davon
abgesehen. Immerhin erhellt aus dem Vorhergehenden die
P. Martin.
632
Moglichkeit , gewisse Oemengteile einer Legierung auf den
Kerr-Effekt hin zu prufen, indem das Reflexionsvermogen der
ubrigen durch &zung vernichtet wird, wobei in manchen
Fallen mit schw:trzem Lack eine Nachhilfe in der Abblendung
geleistet werden mag.
-
M',
c -
- 22
-
-n'-
\
r
Fe, C.
-n-
Fig. 4.
T a b e l l e 6.
s =f
(1). Eieenkerbid (geegttigt). Hilpert.
__ __
A (mm)
E
(Min.)
-
30
25
20
20
20
20
20
20
20
435
450
466
483
503
530
567
615
675
- 201,s
- 200,o
- 196,3
- 189,s
- 180,s
- 176,3
- 176,O
- 177,7
- 180,l
- 30,28'
- 30,OO
- 29,42
- 28,48
- 27,13
- 26,45
- 36,40
- %,66
- 27,Ol
.
.-
* 8s
-~ - ~.
-
~
0,05'= 0,17 "/o
0,03 = 0 , l O
0,02 = 0,07
0,02 = 0,07
0,02 = 0,07
0,Ol = 0,04
0,02 = 0,08
0,Ol = 0,04
0,03 = 0,11
Ber magrretooptische Ken-Effeht ustc.
633
T a b e l l e 7.
n;
25
25
20
20
20
20
20
6
615
675
- 161,4
- 166,l
- 157,8
- 141,l
- 136,O
- 139,6
-146,s
(Min.)
- 24,20'
- 24,91
23,66
-21,17
- 20,40
- P0,Ql
- 22,02
-
f 6.5
0,10'= 0,4 'lo
0,05 = 0,2
0,07 = 0,3
0,05 = 0,2
0,02 = 0,l
0,02 = 0,l
0,04 = 0,2
T a b e l l e 8.
n:
25
25
20
20
20
20
20
20
20
8
(PP)
435
450
466
483
503
530
567
615
675
(Min.)
f 86
-
- 170,O
- 171,7
- l72,l
- 171,7
- 165,O
- 150,3
- 143,l
- 149,4
- 161,O
-25,50'
- 25,75
- %5,81
25,75
-?4,76
- 42,55
-?1,46
- 22,40
- 24,14
-
0,05'= 0,2
/',
0,03 = 0,l
0,03 = 0,l
0,03 = 0,l
0,03 = 0,l
0,02 = 0,l
0,02 = 0,l
0,03 = 0,l
0,03 = 0,l
T a b e l l e 9.
A (mm)
30
25
30
25
25
20
20
435
466
503
530
567
615
675
- 181,O
- 178,7
- 161,O
- 147,5
- 145,4
150,O
- 156,s
-
e
(Min.)
- 27,15'
- 26,79
- 24,14
- 28,13
- 21,81
- 22,50
- 23,44
rt 6.5
0,07' = 0,3
0,03 = 0,2
0,04 = 0,l
0,Ol = 0,04
0,Ol = 0,05
0,Ol = 0,04
0,03 = 0,l
Normales Pyrrhotin (Fe,S, = (FeS),Fe,S,, von Morro Velho,
Brasilien). Das Stack, mit welchem ich Messungen anstellte,
wurde einmal parallel der magnetischen Ebene und zweitens
nach einer dazu und zur Richtung leichtester Magnetisierung
p. Martin.
634
senkrechten Ebene geschliffen.l) Der erstere Spiegel zeigte,
wie zu erwarten, gar keine Drehung bei nahezu senkrechter
Inzidenz, da ja senkrecht zu seiner Ebene die Magnetisierung
bekanntlich nur eine verschwindend geringe ist. An der zweiten
Blache aber war eine positive Drehung von der GroBenordnung
einer Minute im ganzen Spektralbereich wahrzunehmen. Selbst
an den Enden des Spektrums habe ich keine Andeutung einer
Kriimmung der Dispersionskurve konstatiert ; allerdings ist
vielleicht eine Spur einer Zunahme im Violett vorhanden.
Daraufhin durfte ich dann bei groBerer Spaltweite des Monochromators mit hellerem gelben und blauen Licht dieselben
Messuugen genauer ausfiihren. Das Feld betrug dabei mindestens 12 Kilogauss. Eine graphische Darstellung der einfachen geradlinigen Dispersionskurve kann fuglich unterbleiben
(Tab. 10). Angesichts des sehr geringen Drehungswertes erschien die Untersuchung anders orientierter Spiegel kaum angezeigt.
T a b e l l e 10.
E
= f (2). Normales Pyrrhotin (geullttigt). Weiss.
N
[PP)
35
435
30
v
25
466
20
483
20
8
(Min.)
It 6 6
+0,98'
0,04'= 4'1,
+ l,oo
0,05 = 5
+0,94
0,04 = 4
+0,97
0,04 = 4
503
+6,6
+6,7
+6,3
+6,6
+6,4
+0,95
0,os = 3
20
530
+6,5
+0,96
0,03 = 3
20
567
+0,95
0,02 = 2
20
615
+0,97
0,03 = 3
25
675
+0,94
0,OL = 4
+6,4
+6,6
+6,s
1) Nach obiger Formel wilre der Kristall als Sulfopentaferroferrit
aufiufassen, nach Analogie der Struktur der Hilpertschen Metaferrite.
Die Orientierung erfolgt bequem durch Aufhhgen an einem Kokonfaden. P. Weiss, Journ. de Phys. (4) 4. p. 469. 1905 findet als Sllttigungsmert der Magnetisierung etwa 60-75 C.G.S.
635
B e r magnetooptiscite Kerr-Effekt usw.
Tabelle 10 (Fortsetzung).
____
+6,6
+6,4
_____
0,03' = 3 Ol0
+0,97'
+0,94
+ 6,4
+6,5
1
402 = 2
+0,95
0,Ol = 1
0,02 = 2
+0,96
0,Ol = 1
+0,96
+6,6
Der6er iKagnetkies (vermutlich von Obermais, Tyrol). Eine
natiirliche spiegelnde Flache war seinerzeit von Hrn. d u Bois
erfolglos erprobt; sie war freilich blatterig und parallel der
mittleren magnetischen Ebene. Es wurde jetzt ein Spiegel
senkrecht dazu und zur mittleren Richtung leichtester Magnetisierung geschliffen. Aus einer sehr groBen Zahl von Ablesungen ergab sich jetzt zweifellos eine kleine positive Drehung
von mehreren Zehntelminuten, etwa ein Drittel von der beim
normalen Pyrrhotin beobachteten.
Amorphes Schwefeleisen (FeS). Diese nicht ferromagnetische Substanz war auch 1889 von Hrn. du Bois l) vergeblich
untersucht. Der gleiche Spiegel gab auch jetzt einen negativen
Erfolg. Sollte dabei eine Drehung auftreten, so muB sie
kleiner als 0,3' sein.
Cereisen. Die Dispersion bietet beim pyrophoren Cereisen
von unbekannter quantitativer Zusammensetzung nichts Be-
j,:ol
-
550
'I,;,,
h5U
ci:U
Fig. 5.
sonderes dar (Fig. 6). Die Drehung nimmt von Violett bis
Rot numerisch zu wie beim Eisen und betriigt durchweg etwa
~~~
1) H. du Bois, Wied. Ann. 39. p. 25. 1890; Phil. Mag. (5) 29.
p. 253. 1890.
636
P. Martin. Der maynetooptisclie Kerr- Efekt u s w .
ein Drittel derjenigen fur das Metall. Das Material war nicht
ganz gesiittigt (Tab. 11).
25
20
20
20
20
20
25
(PP)
A (-1
s (Min.)
435
466
503
530
567
615
675
- 33,9
- 36,7
- 39,8
- 5,09'
- 5,50
- 5,97
- 6,22
- 6,41
6,52
~
-41,5
42,7
- 43,5
44,O
-
-
-6,60
0,05'=l O/,
0,04 = 0,1
0,OZ = 0,3
0,ot = 0,2
0,Ol = 0,2
0,OZ = 0,3
0,03 = 0,4
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