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Lexikon Physik

Ferromagnetismus

 

Der Ferromagnetismus (von lat. ferrum „Eisen“) ist eine Form der magnetischen Ordnung in Festkörpern, die vor allem in Eisen und den verwandten Metallen Cobalt und Nickel beobachtet wird. Stoffe mit ferromagnetischem Verhalten nennt man Ferromagnetika (Singular: Ferromagnetikum).

Ferromagnetika besitzen unterhalb einer materialabhängigen kritischen Curie-Temperatur TC (nach Pierre Curie) eine permanente Magnetisierung, d. h., die atomaren magnetischen Momente (Elementarmagnete) zeigen in eine Vorzugsrichtung. Der Grund dafür ist, dass es in Ferromagnetika für die Atome aufgrund einer sog. Austauschwechselwirkung energetisch günstiger ist, ihr magnetisches Moment in die gleiche Richtung wie Momente der Nachbaratome zu orientieren. Dadurch bilden sich spontan Bezirke, in denen alle Elementarmagnete gleich orientiert sind; man nennt sie Domänen oder Weiss’sche Bezirke (Abb.). Jede Domäne hat damit ein magnetisches Moment. Wenn sich die (vektoriell) addierten Momente aller Domänen aufheben, erscheint der Körper unmagnetisch (entmagnetisiert), andernfalls ist er ein Dauermagnet.

Wenn man ein äußeres Magnetfeld auf ein Ferromagnetikum wirken lässt, so geschieht im Wesentlichen zweierlei:

1. einzelne Domänen vergrößern sich auf Kosten anderer durch Verschieben der Begrenzungszonen (Bloch-Wände; nach Felix Bloch), und

2. richten sich die Momente der Domänen teilweise oder vollständig in Richtung des äußeren Feldes aus. Dadurch steigt die gesamte Magnetisierung und damit auch das Magnetfeld im Ferromagnetikum um mehrere Zehnerpotenzen an. Die Permeabilität eines Ferromagneten kann Werte von 10 000–75 000 erreichen.

Das Wachsen der Domänen und das Ausrichten (Umklappen) ihrer Momente nennt man Barkhausen-Sprünge (nach Heinrich Barkhausen). Man kann sie mit einem elektromechanischen Lautsprecher nachweisen, indem man ein Ferromagnetikum in eine Spule bringt, wo die Barkhausen-Sprünge Spannungsstöße induzieren (Barkhausen-Effekt).

Ferromagnetismus - Abbildung 1

Anders als beim Diamagnetismus und beim Paramagnetismus hängen beim F. (makroskopische) Magnetisierung \(\vec M\) und magnetische Feldstärke \(\vec H\) nicht linear zusammen und sind darüber hinaus auch noch von der Vorgeschichte abhängig (Hysterese).

Der Ausrichtung der mikroskopischen magnetischen Dipole wirkt die Wärmebewegung der Atome entgegen: Je höher die Temperatur, desto geringer ist die magnetische Ordnung. Oberhalb der Grenztemperatur TC bricht die ferromagnetische Ordnung ganz zusammen und der Stoff wird paramagnetisch. Unterhalb von TC gilt für die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität \(\chi_\text m\) (das Verhältnis der Beträge von M und H) das Curie-Weiss-Gesetz:

\(\chi_\text m = \dfrac C{T-T_\text C}\)

C ist die Curie-Konstante, die von Größe und Anzahl der mikroskopischen magnetischen Momente abhängt; T wird in Kelvin angegeben.

Wenn die Austauschwechselwirkung in einem Material so wirkt, dass sich benachbarte Elementarmagnete bevorzugt antiparallel ausrichten, spricht man von Antiferromagnetismus. In diesem Fall gibt es auch bei einer vollständigen magnetischen Ordnung keine von außen messbare Magentisierung. Sind dabei allerdings die antiparallel ausgerichteten Nachbarmomente unterschiedlich stark, tritt dann doch eine schwache makroskopische Magnetisierung auf, dies nennt man Ferrimagnetismus.

Permanente atomare elektrische Dipole treten viel seltener auf als magnetische Dipolmomente. Dennoch kann bei ganz bestimmten Materialien auch Ferroelektrizität, Antiferroelektrizität und Ferrielektrizität beobachten.

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