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2023-10-15T15:58:41Z

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Das '''Neumannsche Prinzip''' ist ein [[Symmetrieprinzip]]. Es verknüpft die [[Kristallstruktur|Struktur]] eines [[Kristall]]s mit seinen physikalischen Eigenschaften.

Das Neumannsche Prinzip besagt, dass die [[Symmetrie (Physik)|Symmetrie]] der physikalischen Eigenschaften eines Kristalls die Symmetrieelemente der [[Punktgruppe]] des Kristalls enthalten muss.

[[Franz Ernst Neumann]] formulierte dieses Prinzip im Rahmen seiner Lehrveranstaltungen an der Universität von Königsberg 1873/74. In gedruckter Form wurde es 1885 veröffentlicht.<ref>Neumann F.E., 1885, ''Vorlesungen über die Theorie der Elastizität der festen Körper und des Lichtäthers'', O. E. Meyer. Leipzig(Hrsg.), B. G. Teubner-Verlag.</ref>

Die endgültige Fassung stammt aus dem berühmten Lehrbuch der Krystallphysik seines Schülers [[Woldemar Voigt (Physiker)|Woldemar Voigt]]. Dieser verweist dabei auf einen Artikel Neumann’s aus dem Jahr 1833, bei dem Neumann dieses Prinzip schon [[implizit]] angewendet hat.

[[Pierre Curie]] erweiterte dieses Prinzip 1894 zum [[Curie-Prinzip]].
Durch die [[Darstellungstheorie]] werden diese Überlegungen auf eine erweiterte mathematische Grundlage gestellt.

== Erläuterung ==
Die physikalischen Eigenschaften eines Kristalls sind im Allgemeinen [[anisotrop]]. Sie hängen sowohl von der Richtung der einwirkenden Kraft als auch von der Richtung der untersuchten Wirkung ab. Daher werden diese Eigenschaften mit Hilfe von [[Tensor]]en beschrieben. Das Neumannsche Prinzip verlangt, dass jede Symmetrieabbildung des Kristalls auch eine Symmetrieabbildung dieses Tensors sein muss.

Diese Symmetrieüberlegungen führen dazu, dass sich die Anzahl der unabhängigen Elemente eines Tensors in höhersymmetrischen Kristallen verringert und seine [[Hauptachse]]n in Richtung der Kristallachsen liegen.

Beispiele:
* Da die Richtungsabhängigkeit der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls dem Neumannschen Prinzip unterliegt, spiegeln die [[Kristallfläche]]n die Punktgruppe des Kristalls wider. So kann man schon anhand der Kristallform auf das [[Kristallsystem]] und die Kristallklasse schließen.
* Eine oft erwähnte Folge des Neumannschen Prinzips ist, dass in einem Kristall, der ein [[Inversionszentrum]] besitzt, ''kein'' [[piezoelektrischer Effekt]] existieren kann.

Das Neumannsche Prinzip bestimmt nur die Mindestsymmetrie des Tensors. Der Tensor kann aber durchaus über zusätzliche Symmetrien verfügen. So ist der [[Deformationstensor]] aufgrund seiner Definition grundsätzlich [[Zentrosymmetrie|zentrosymmetrisch]].

== Beispiel ==
Eine Folge des Neumannschen Prinzips ist, dass in dem Achsensystem, das durch die [[Elementarzelle #Problematik der unterschiedlichen Begriffe|konventionelle Elementarzelle]] gegeben ist, die Eigenschaftstensoren eine durch die jeweilige Kristallklasse bestimmte Form haben.

In den folgenden Tabellen ist im monoklinen Kristallsystem [[Monoklines Kristallsystem #Gittersystem|die monokline Achse in die kristallographische c-Achse gelegt (''1st setting'')]].

=== Tensoren 1. Stufe ===
Der [[Pyroelektrizität|pyroelektrische Effekt]] wird durch einen [[Vektor|polaren Vektor]] beschrieben. Entsprechend müsste der [[Pyromagnetismus|pyromagnetische Effekt]] durch einen [[Pseudovektor|axialen Vektor]] beschrieben werden. Dazu liegen bislang aber keine Untersuchungen vor.

Die Punktgruppen mit einem nicht verschwindenden Element eines polaren Vektors nennt man auch polare Punktgruppen.

{| class="wikitable centered"
|+Allgemeine Form von Vektoren und Pseudovektoren
|-----
! [[Kristallsystem]]
! Kristallklasse
! Komponenten eines Vektors
! Anzahl unabhängiger Komponenten
! Komponenten eines Pseudovektors
! Anzahl unabhängiger Komponenten
|-----
|rowspan="2"| [[Triklines Kristallsystem|Triklin]]
| <math>1\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
v_1\\
v_2\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|3
|<math> \begin{pmatrix}
p_1\\
p_2\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|3
|-----
| <math>\bar{1}</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
p_1\\
p_2\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|3
|-----
|rowspan="3"| [[Monoklines Kristallsystem|Monoklin]]
| <math>2\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>m\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
v_1\\
v_2\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|2
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>2/m\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
|rowspan="3"| [[Orthorhombisches Kristallsystem|Orthorhombisch]]
| <math>222\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>mm2\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>m\ m\ m</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
|rowspan="7"| [[Tetragonales Kristallsystem|Tetragonal]]
| <math>4\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>422\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>4mm\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>4/m\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>\bar{4}</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>\bar{4}m 2\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>4/m\ m\ m</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
|rowspan="5"| [[Trigonales Kristallsystem|Trigonal]]
| <math>3 \!</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>32\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>3m\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>\bar{3}</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>\bar{3} m</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
|rowspan="7"| [[Hexagonales Kristallsystem|Hexagonal]]
| <math>6\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>622\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>6mm\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
v_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>6/m\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>\bar{6}</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
p_3\\
\end{pmatrix}
</math>
|1
|-----
| <math>\bar{6}m2</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>6/m\ m\ m\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
|rowspan="5"| [[Kubisches Kristallsystem|Kubisch]]
| <math>23\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>m \bar{3}</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>432\ </math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>\bar{4}3m</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|-----
| <math>m\bar{3}m</math>
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
| <math> \begin{pmatrix}
0\\
0\\
0\\
\end{pmatrix}
</math>
|0
|}

=== Tensoren 2. Stufe ===

Die [[Wärmeausdehnung]] und die [[Dielektrizitätskonstante]] werden durch einen symmetrischen Tensor 2. Stufe beschrieben. Ohne weitere Einschränkungen hat dieser Tensor 6 unabhängige Komponenten und eine beliebige Lage zu den Kristallachsen. In den einzelnen Kristallsystemen nimmt er aufgrund des Neumannschen Prinzips folgende Form an:

{| class="wikitable"
! Kristallsystem !! Tensorfläche !! Schema der Komponenten !! Bezug zu den Hauptwerten !! Anzahl unabhängiger Komponenten
|-
| Triklin
|| Dreiachsiges Ellipsoid in beliebiger Lage
|| <math> \begin{pmatrix}
\epsilon_{11} & \epsilon_{12} & \epsilon_{13} \\
\epsilon_{12} & \epsilon_{22} & \epsilon_{23} \\
\epsilon_{13} & \epsilon_{23} & \epsilon_{33}
\end{pmatrix}
</math>
|| -
|style="text-align:center"| 6
|-
| Monoklin
|| Dreiachsiges Ellipsoid, eine Hauptachse parallel zur b-Achse
|| <math> \begin{pmatrix}
\epsilon_{11} & 0 & \epsilon_{13} \\
0 & \epsilon_{22} & 0 \\
\epsilon_{13} & 0 & \epsilon_{33}
\end{pmatrix}
</math>
|| <math> \epsilon_{22} = \epsilon_b </math>
|style="text-align:center"| 4
|-
| Orthorhombisch
|| Dreiachsiges Ellipsoid, Hauptachsen parallel zu den Gitterachsen
|| <math> \begin{pmatrix}
\epsilon_{11} & 0 & 0 \\
0 & \epsilon_{22} & 0 \\
0 & 0 & \epsilon_{33}
\end{pmatrix}
</math>
|| <math>\epsilon_{11} = \epsilon_a</math> 
<math>\epsilon_{22} = \epsilon_b</math> 
<math>\epsilon_{33} = \epsilon_c</math>
|style="text-align:center"| 3
|-
| Tetragonal Trigonal Hexagonal 
|| Rotationsellipsoid, Rotationsachse parallel zu c
|| <math> \begin{pmatrix}
\epsilon_{11} & 0 & 0 \\
0 & \epsilon_{11} & 0 \\
0 & 0 & \epsilon_{33}
\end{pmatrix}
</math>
|| <math>\epsilon_{11} = \epsilon_a = \epsilon_b </math> 
<math>\epsilon_{33} = \epsilon_c</math>
|style="text-align:center"| 2
|-
| Kubisch
|| Kugel
|| <math> \begin{pmatrix}
\epsilon_{11} & 0 & 0 \\
0 & \epsilon_{11} & 0 \\
0 & 0 & \epsilon_{11}
\end{pmatrix}
</math>
|| <math>\epsilon_{11} = \epsilon</math>
|style="text-align:center"| 1
|-
|}

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=[[Will Kleber]], [[Hans-Joachim Bautsch]], [[Joachim Bohm (Kristallograph)|Joachim Bohm]], Detlef Klimm |Titel=Einführung in die Kristallographie |Auflage=19. |Verlag=Oldenbourg Wissenschaftsverlag |Ort=München |Datum=2010 |ISBN=978-3-486-59075-3}}
* Woldemar Voigt: ''Lehrbuch der Krystallphysik. ''Leipzig 1910.

== Weblinks ==
* [https://dictionary.iucr.org/Neumann's_principle Neumanns principle]

[[Kategorie:Kristallographie]]

Neumannsches Prinzip - Versionsgeschichte

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