Ferromagnetismus

Ferromagnetismus (von lat.: ferrum = Eisen + Magnet) ist die "normale" Form des Magnetismus, so wie er z.B. in Hufeisen- und Kühlschrankmagneten auftritt. Die Anziehungskraft zwischen einem Magneten und einem ferromagnetischen Material ist verantwortlich für den Großteil der magnetischen Erscheinungen des Alltags.

Ein Material wird "ferromagnetisch" genannt, wenn es in einem externen Magnetfeld selbst magnetisiert wird und diese Magnetisierung auch noch eine Zeitlang beibehält, nachdem das externe Magnetfeld entfernt wurde. Ein solches Material wird von einem Magneten angezogen. Das bekannteste Beispiel hierfür ist Eisen. Die meisten Metalle sind nicht ferromagnetisch und sind daher weder (in ferromagnetischer Weise) magnetisierbar, noch werden sie von einem Magneten angezogen, z.B. Aluminium, Kupfer, Messing, Silber, Gold. Im Alltag lässt sich daher mit einem Magneten leicht prüfen, ob ein metallener Gegenstand aus Eisen ist oder nicht. Eine Ausnahme hiervon stellen austenitische Legierungen dar, die Bestandteil vieler nichtrostender Stähle sind. Ein austenitisches Gefüge ist nicht ferromagnetisch, obwohl es hauptsächlich aus Eisen besteht.

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Die Anziehungskraft zwischen einem Magneten und einem ferromagnetischen Metall

Gelangt ein ferromagnetischer Gegenstand in ein Magnetfeld (z.B. in den Nahbereich eines Permanentmagneten), so richten sich die Elementarmagnete (die Atome in seinem Metallgitterverband) entsprechend dieses Magnetfelds aus. Dadurch wird der Gegenstand nun selbst magnetisch. Die beiden Magnetfelder haben die gleiche Ausrichtung, daher entsteht zwischen dem Gegenstand und dem Magneten eine magnetische Anziehungskraft. Ein ferromagnetisches Material wird aus diesem Grund sowohl von magnetischen Nordpolen als auch von Südpolen angezogen.

Im Normalfall verliert sich diese Magnetisierung zum größten Teil sofort, wenn der Gegenstand wieder aus dem externen Magnetfeld entfernt wird. Lediglich ein kleiner Restmagnetismus bleibt zurück, die sogenannte Remanenz. Es gibt jedoch auch Methoden, mit denen eine dauerhafte starke Magnetisierung des ferromagnetischen Materials erreicht werden kann. Mit solchen Methoden können ferromagnetische Körper, aus z.B. Eisen, zu Permanentmagneten magnetisiert werden, d.h. eine deutliche erkennbare (makroskopische) Magnetisierung dauerhaft annehmen.

Alle Permanentmagnete sind entweder ferromagnetisch oder ferrimagnetisch, ebenso die Metalle, die deutlich von ihnen angezogen werden. Ferromagnetische Festkörper, die magnetisiert sind, bezeichnet man als Ferromagnete.

Entstehen von Ferromagnetismus

Ferromagnetismus entsteht dadurch, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen. Die Bereiche gleicher Magnetisierung werden "Domänen" oder "Weiss-Bezirke" genannt. Sie treten in Größen von 0,01 μm bis 1 μm auf und sind im unmagnetisierten Zustand der Substanz nicht einheitlich orientiert.

Die magnetische Ordnung wird bei hohen Temperaturen aufgebrochen, die Ferromagneten sind dann nur noch paramagnetisch. Die Temperatur, ab der die ferromagnetische Ordnung verschwindet, wird als Curie-Temperatur T_C (nach Pierre Curie, dem Gatten von Marie Curie) bezeichnet. Der Paramagnetismus bleibt für alle Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur erhalten, selbst nach Übergang des Festkörpers in Flüssigkeitsphase oder Gasphase.

Elemente mit ferromagnetischen Eigenschaften

Unter den Elementen bzw. Metallen in Reinform weisen Eisen, Kobalt und Nickel bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf.

Bei tieferen Temperaturen werden auch die Lanthanoide Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Terbium ferromagnetisch. In der Praxis verwendet man häufig ferromagnetische Legierungen wie z. B. AlNiCo, SmCo, Nd₂Fe₁₄B, NiFe („Permalloy“), oder NiFeCo („Mumetall“). Bemerkenswert ist, dass unter bestimmten Umständen auch einige Verbindungen im Allgemeinen nicht ferromagnetischer Elemente ferromagnetisches Verhalten aufweisen, beispielsweise Chromdioxid, Manganarsenid, Europiumoxid oder die suprafluide A-1 Phase von He-3.

Physikalischer Ursprung

Träger der elementaren magnetischen Momente sind die Elektronenspins. Wie bei anderen kooperativen magnetischen Phänomenen ist auch beim Ferromagnetismus die magnetische Wechselwirkung viel zu schwach, um für die Ordnung der Spins verantwortlich zu sein. Bei der ferromagnetischen Ordnung kommt noch hinzu, dass die parallele Ausrichtung magnetischer Momente für die magnetische Wechselwirkung energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die sogenannte Austauschwechselwirkung, die mit der Existenz von Singulett- und Triplett-Zuständen bei Zwei-Elektronen-Systemen zu tun hat und mit dem Pauli-Prinzip zusammenhängt. Es handelt sich also um ein echt quantenmechanisches Phänomen, das nicht einfach zu verstehen ist.

Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit vom relativen Atomabstand zeigt. Der relative Atomabstand ist hierbei das Verhältnis des Atomabstandes der benachbarten Atome zum Durchmesser der nicht abgeschlossenen Elektronenschale.

In einem Satz: „Die Ordnung der magnetischen Momente wird durch die (quantenmechanische!) Austauschwechselwirkung vermittelt, nicht durch (klassische!) magnetische Wechselwirkung.“

Domänen

Die Austauschwechselwirkung wirkt nur zwischen Fermionen, deren Wellenfunktionen einen wesentlichen Überlapp aufweisen, in der Regel also nur zwischen nahegelegenen Teilchen. Die magnetische Wechselwirkung wirkt hingegen auch zwischen weit entfernt liegenden magnetischen Momenten. Daher steigt in einem ausgedehnten Ferromagneten der magnetische Energieaufwand irgendwann über den Energiegewinn der Austauschwechselwirkung. Die ferromagnetische Ordnung des Festkörpers zerfällt dann in unterschiedlich orientierte Domänen. Die Bereiche des Festkörpers, in denen unterschiedlich orientierte Domänen aufeinandertreffen, heißen Domänenwand. Je nach Drehsinn der Magnetisierung in der Wand spricht man von Bloch-Wand oder Néel-Wand. Die Ausbildung der Domänenwand erfordert die Verrichtung von Arbeit gegen die Austauschwechselwirkung, die Verkleinerung der Domänen (des Volumens einer zusammenhängenden Domäne) reduziert die magnetische Energie eines Festkörpers. Diese Arbeit kann aus der Fläche der Hystereseschleife berechnet werden. Aufgrund der nicht kontinuierlich erfolgenden Ausrichtung der Weiss-Bezirke unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder können sog. Barkhausen-Sprünge beobachtet werden.

Anwendung

Ferromagnetische Werkstoffe weisen eine hohe Permeabilität mit auf. Dadurch werden die magnetischen Feldlinien gut im Vergleich zum umgebenden Material (etwa Luft mit ) geleitet. Dadurch finden ferromagnetische Werkstoffe etwa in Elektromagneten und Transformatoren Verwendung.

siehe auch: Permeabilitätszahl

Siehe auch

• Antiferromagnetismus
• Ferrimagnetismus
• Diamagnetismus
• Pyromagnetismus
• Ferrofluid
• Gaußgewehr