Heinrich Lange

Ausführung der Messungen

Mit der im vorigen Kapitel beschriebenen Mesanordnung wurden folgende magnetische Messungen an Kobalt ausgefuhrt: 1. Bestimmung der Temperaturabhangigkeit der spezifischen Magnetisierung σ(T) fur verschiedene ausere Feldstarken H a von Raumtemperatur bis zur Curie-Temperatur; 2. Ermittlung des Temperaturverlaufes der spezifischen Magnetisierung σ(T) fur kleine ausere Felder H a in der unmittelbaren Umgebung der Curie-Temperatur T c ; 3. Messung der Magnetisierung σ(T) fur verschiedene ausere Felder H a in der Umgebung der Curie-Temperatur in Verbindung mit gleichzeitiger Bestimmung des MK-Effektes als Funktion der Temperatur; 4. Kontrollierte thermische Analyse mit der gleichen Apparatur.

Die ferromagnetische Waage nach Lange-Mathieu

Zur Messung der magnetischen Kenngrosen spezifische Sattigungsmagnetisierung (im folgenden auch als spezifische Sattigung bezeichnet) und Curietemperatur wurde die ferromagnetische Waage nach Lange-Mathieu benutzt, die von H. Lange, R. Kohlhaas und S. Muller [23] ausfuhrlich beschrieben wurde. Mit dieser ferromagnetischen Waage kann die spezifische Sattigung in Abhangigkeit von der Temperatur im Intervall von — 180 bis 1200°C bis auf 1‰ absolut gemessen werden. Die relative Genauigkeit ist um mindestens eine Zehnerpotenz besser.

Deutung der Ergebnisse an Eisen und Nickel

Im folgenden werden die Resultate sowohl im Sinne des lokalisierten Spinmodells als auch im Sinne der Bandvorstellung interpretiert.

Untersuchungen an Nickel

H. Lange [25] untersuchte die magnetischen Eigenschaften von abgeschreckten Ni—C-Legierungen. Die Proben wurden hergestellt durch Erschmelzen von Ni im Kohletiegel, wobei sie sich mit Kohlenstoff sattigten und anschliesend in eine gekuhlte Kupferkokille abgegossen. Die derart abgeschreckten Proben enthielten Kohlenstoff in ubersattigter Losung und besasen gegenuber dem reinen Nickel eine um ca. 5‰ vergroserte Gitterkonstante. Die Sattigungs-Temperatur-Kurven (im folgenden als σ-T-Kurven bezeichnet) verliefen zwischen Raum- und Curietemperatur nahezu geradlinig. Nach mehrstundigem Gluhen bei 600° C zeigte die σ-T-Kurve wieder den fur reines Nickel charakteristischen Verlauf. Die Gitteraufweitung heilte wahrend der Gluhung aus.

Zielsetzung und Versuchsplanung

Fur den Experimentalphysiker erhebt sich die Frage, wie diese Vermutung nachgepruft werden kann. Man mus sich hierzu ein Experiment ausdenken, in dem beide der theoretischen Mechanismen in moglichst kontrollierbarer Weise beeinflust werden konnen, und dieses Experiment sollte moglichst an ein und demselben Probenmaterial durchfuhrbar sein.

Untersuchungen an Eisen

Falls die Bethe-Slater-Kurve die Abhangigkeit des Austauschintegrals in seinem gesamten Verlauf richtig wiedergibt, mus sich auch das auf dem ansteigenden Ast liegende Eisen in diesem Sinn richtig verhalten. Auch Eisen, das Kohlenstoff in ubersattigter Losung enthalt, zeigt eine Gitteraufweitung. Diese spezielle Eisen-Kohlenstoff-Legierung ist unter dem Namen Martensit bekannt. Leider gibt es keine vollkommen martensitische Probe. Martensit tritt immer in heterogener Mischung mit einer als Restaustenit bezeichneten Phase auf. Im Gegensatz zu den Nickel-Kohlenstoff-Legierungen sind hier die Verhaltnisse beim Abschrecken und anschliesenden Tempern auserordentlich komplex und verwickelt. Zum Verstandnis des Folgenden ist daher eine kurze Schilderung des bekannten Martensitbildungsprozesses und eine uber das Mas des bisher in der Literatur bekannten hinausgehende Untersuchung des Zerfallsprozesses martensitischer Eisen-Kohlenstoff-Legierungen erforderlich.

Ein Überblick über die möglichen Meßverfahren und ihre Eignung für höhere Temperaturen

In diesem Abschnitt soll zunachst ein systematischer Uberblick uber die sich zur Messung der spezifischen Warme bietenden Mesverfahren gegeben und ihre Eignung fur hohere Temperaturen gepruft werden. Unsere Darstellung beschrankt sich dabei auf Mesverfahren fur feste Korper, insbesondere fur Metalle. Allen Verfahren ist gemeinsam, das sie den Warmeinhalt oder die spezifische Warme bei konstantem Druck cp messen. Die Bestimmung der spezifischen Warme bei konstantem Volumen cv last sich bei flussigen und festen Stoffen experimentell nicht durchfuhren; fur theoretische Studien mussen die experimentell gewonnenen cp-Werte auf cv-Werte umgerechnet werden. — Bei der Darstellung und Besprechung der verschiedenen Verfahren sollen mit einer Ausnahme nur jungere Arbeiten nach 1930 berucksichtigt werden.

Die wahre spezifische Wärme von Chrom, Nickel und Eisen bei hohen Temperaturen

Im vorhergehenden Abschnitt II wurde der Aufbau neuer Apparaturen zur Ermittlung der wahren spezifischen Warme von Metallen bei hohen Temperaturen beschrieben. In diesem Abschnitt werden die Mesresultate an Chrom, Nickel und Eisen mitgeteilt und mit den Ergebnissen anderer Forscher verglichen; gleichzeitig werden Fehlerbetrachtungen angestellt.

Der Aufbau neuer Apparaturen zur Ermittlung der wahren spezifischen Wärmen von Metallen bei hohen Temperaturen

Die wesentlichen Grundzuge des Verfahrens der umgekehrten Kalorimetrie, das erstmalig von H. Holetzko an Eisen bis 1450°C erprobt worden ist, wurden bereits in Abschnitt I angedeutet. H. Holetzko gelang es damit, eine Methode zu entwickeln, die es erlaubt, die wahre spezifische Warme von Metallen bis zu sehr hohen Temperaturen nahe am Schmelzpunkt zu bestimmen. Seine Bemuhungen gingen dahin, die Methode und den Mesvorgang moglichst einfach zu halten, so das es auch mit laboratoriumsmasigen Mitteln gelingt, zumindest den Verlauf der cp(T)-Werte eines Stoffes rein qualitativ zu ermitteln. Letzten Endes ging es jedoch darum, ein exaktes Mesverfahren aufzubauen.- Folgende Forderungen galt es dabei zu erfullen: 1. Die Warmeverluste musten auf ein Mindestmas herabgesetzt und moglichst genau erfast werden. 2. Die durch den Einwurf der Platinprobe verursachte Temperaturerniedrigung war moglichst klein zu halten; dies ist besonders bei hohen Temperaturen uber dem A3-Punkt des Eisens wichtig.

Thermodynamische und allgemeine theoretische Betrachtungen

Aus den gemessenen cp(T)-Kurven lassen sich die Warmeinhaltskurven durch Integration gewinnen. Besonderes Interesse verdienen dabei die Phasenumwandlungen erster und zweiter Art. Phasenumwandlungen erster Art sind zum Beispiel die polymorphen Umwandlungen des Eisens. Thermo-dynamisch ist eine derartige Phasenumwandlung dadurch charakterisiert, das sich die Temperaturkurven der freien Enthalpie G (thermodynamisches Potential) im Umwandlungspunkt schneiden. Die thermodynamisch stabilste Modifikation ist jeweils diejenige, die die geringere freie Enthalpie im weiteren Temperaturverlauf besitzt.- Phasenumwandlungen zweiter Art sind zum Beispiel die magnetischen Umwandlungen, d.h. der Verlust des Perromagnetismus des Eisens und Nickels am Curiepunkt. Thermodynamisch unterscheiden sie sich von Umwandlungen erster Art dadurch, das die erste Ableitung der freien Enthalpie nach der Temperatur T oder dem Druck p stetig bleibt und erst in der zweiten Ableitung, also in cp und (∂V/∂T)p,aber unter Fehlen einer Umwandlungswarme, ein Sprung auftritt. Unsere Aufmerksamkeit verdient an dieser Stelle die Warmeinhaltskurve des Eisens, weil sich hierauf nach den Betrachtungen von W. OELSEN und F. WEVER [54, 55] die Thermodynamik der Eisenlegierungen aufbauen last.