Ferromagnetismus

(von lat.: ferrum = Eisen + Magnet)

Ferromagnetismus 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.

Ferromagnetismus ist die Ursache dafür dass Körper aus einigen wenigen Stoffen wie z.B. Eisen zu Permanentmagneten magnetisiert werden können, d.h. eine deutliche erkennbare(makroskopische) Magnetisierung dauerhaft annehmen. Von einem Permanentmagneten wiederum wird aufgrund der magnetischen Influenz jeder andere Körper aus ferromagnetischem Material angezogen, also auch wenn dieser selbst nicht dauerhaft magnetisiert ist.

Alle Permanentmagnete sind entweder ferromagnetisch oder ferrimagnetisch, ebenso die Metalle, die deutlich von ihnen angezogen werden.

Ferromagnetismus entsteht dadurch, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen. Ferromagnetische Festkörper bezeichnet man als Ferromagnete. Die Bereiche gleicher Magnetisierung werden "Domänen" oder "Weiss-Bezirke" genannt. Sie treten in Größen von 0,01 $\mu {\mathrm {m} }$ bis 1 $\mu {\mathrm {m} }$ 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 $T_{\mathrm {C} }$ (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.

Substanz	$T_{\mathrm {C} }$ in K
Co	1395
Fe	1033
Ni	627
CrO₂	390
Gd	289
Dy	85
EuO	70
Ho	20

Unter den Elementen bzw. Metallen in Reinform weisen Eisen, Nickel und Cobalt 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 sog. 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 $\mu _{r}\gg 1$ auf. Dadurch werden die magnetischen Feldlinien gut im Vergleich zum umgebenden Material (etwa Luft mit $\mu _{r}\approx 1{,}000$ ) geleitet. Dadurch finden ferromagnetische Werkstoffe etwa in Elektromagneten und Transformatoren Verwendung.

siehe auch: Permeabilitätszahl

Siehe auch