Lexikon der Geowissenschaften: Ferromagnetismus
Ferromagnetismus, Erzeugung einer Magnetisierung durch ein Magnetfeld, die dem Magnetfeld gleichgerichtet, jedoch bei mittleren Temperaturen sehr viel größer als in paramagnetischen Stoffen (Paramagnetismus) bei gleicher Feldstärke und der Feldstärke nicht mehr proportional ist. Bei ferromagnetischen Substanzen ist die magnetische Suszeptibilität nicht mehr eine Konstante, sondern eine Funktion des Magnetfeldes und der "Vorgeschichte" der Magnetisierung. Eine typische ferromagnetische Substanz ist Eisen, das dem Effekt auch seinen Namen gegeben hat. Die Abhängigkeit der ferromagnetischen Magnetisierung vom Magnetfeld wird durch eine Hystereseschleife beschrieben ( Abb. 1 ). Sie ist das Kennzeichen ferromagnetischer Stoffe. Dabei wächst die Magnetisierung bei kleinen Feldern zunächst stärker als die Feldstärke proportional an, nimmt dann weniger steil zu und führt schließlich zu einer Sättigung Jmax. Nimmt die Feldstärke dann wieder ab, so bleibt die beobachtete Magnetisierung bei gleicher Feldstärke größer als zuvor, nimmt also mit kleinerer Steigung ab, als sie zuvor zugenommen hat. Bei Magnetfeldstärke H = 0 behält J einen endlichen Wert, die sog. Remanenz JR. Es muß ein Magnetfeld entgegengesetzter Richtung angelegt werden, um die Magnetisierung auf den Wert 0 zu bringen. Die Stärke des dazu notwendigen Feldes nennt man Koerzitivfeldstärke HC oder Koerzitivkraft. Steigert man nun das Feld weiter in dieser Richtung, so wächst die Magnetisierung und erreicht bei hinreichend hohem negativen Feld wieder eine Sättigung, die dem Betrag nach gleich der Sättigung bei hohen positiven Werten von H ist. Je nach der Breite der Hystereseschleife unterscheidet man "magnetisch weiche" und "magnetisch harte" Stoffe. Je größer die Koerzitivfeldstärke, desto "härter" ist das Material.
Außer Eisen zeigen Kobalt und Nickel sowie die seltenen Erden Gadolinium, Dysprosium und Erbium ferromagnetische Eigenschaften, daneben bestimmte Legierungen von Mangan mit Zinn, Aluminium, Arsen, Antimon, Bismut oder Bor. Ferromagnetismus tritt nur in Kristallen auf. So verhält sich z.B. Eisendampf wie andere paramagnetische Gase.
Alle ferromagnetischen Substanzen verlieren diese Eigenschaft oberhalb einer definierten Temperatur δ, der Curie-Temperatur, und werden paramagnetisch. Ihre magnetische Suszeptibilität χ gehorcht oberhalb des Curie-Temperatur dem Curie-Weissschen Gesetz: χ = C/(T-δ). Für Eisen ist δ = 774°C, für Kobalt δ = 1131°C und für Nickel δ = 372°C.
Der Ferromagnetismus beruht auf dem Vorhandensein atomarer magnetischer Dipole, die durch den Eigendrehimpuls (Spin) der ungepaarten Elektronen in inneren unabgeschlossenen Elektronenschalen verursacht werden. Durch Austauschwechselwirkung zwischen den Elektronenspins benachbarter Atome werden sie in makroskopischen Bereichen parallel ausgerichtet. Diese sog. Weissschen Bereiche sind stets bis zur Sättigung magnetisiert, sie zeigen also eine spontane Magnetisierung auch ohne Magnetfeld. An den sog. Blochwänden, d.h. den Grenzen der Weissschen Bereiche, erfolgt der Übergang in die verschiedenen Spinorientierungen nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich, und erstreckt sich über eine große Zahl von atomaren Abständen. Beim Eisen z.B. sind das rund 300 Abstände. Beim Überschreiten der Curie-Temperatur wird diese Ausrichtung durch thermische Bewegung vernichtet. Man beobachtet eine magnetischen Phasenumwandlung von der ferromagnetischen in die paramagnetische Phase. Ohne äußeres Magnetfeld existieren viele Weisssche Bereiche mit gegeneinander unterschiedlich ausgerichteter Magnetisierung. Wird ein Magnetfeld erregt, so wachsen günstig orientierte Bereiche, d.h. mit einem kleinen Winkel zwischen Magnetisierung und Magnetfeld, durch Verschieben der Blochwände auf Kosten ungünstig orientierter. Bei weiterer Steigerung des Magnetfeldes kann das magnetische Moment eines ganzen Bereiches aus seiner ursprünglichen Richtung in die Orientierung kleinster potentieller Energie umspringen, das sind die sog. Barkhausen-Sprünge. Die Sättigungsmagnetisierung wird bei vollständiger Ausrichtung aller Bereiche erreicht. Die Magnetisierung in ferromagnetischen Kristallen ist ausgesprochen anisotrop. Für Eisen z.B. ist die Reihenfolge der Richtungen zunehmender Magnetisierbarkeit: [100] > [110] > [111].
Unterarten des Ferromagnetismus sind: Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus ( Abb. 2 ).
Ferromagnetismus 1: Hystereseschleife der Magnetisierung. Die gestrichelte Kurve ist die sog. Neukurve, die durchlaufen wird, wenn an ein entmagnetisiertes Ferromagnetikum ein Magnetfeld angelegt wird (HC = Koerzitivfeldstärke, JR = Remanenz). Ferromagnetismus 1:
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Ferromagnetismus 2: Anordnung der magnetischen Elementardipole bei a) Ferromagnetismus, b) Ferrimagnetismus, c) Antiferromagnetismus und d) schwachem Ferrimagnetismus durch spin canting.
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