Ferromagnetismus

ferromagnetic_ordering_illustration.svg Der Ferromagnetismus (v. lat.: ferrum = Eisen + v. griech.: magnetis (lithos) = Stein aus Magnesien) ist ein kooperatives Phänomen von Festkörpern welches dadurch charakterisiert ist, 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 mm bis 1 mm 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

Ferromagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur zeigen die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt. 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 NiCuCo („Mumetall“). Bemerkenswert ist, dass unter bestimmten Umständen auch einige Verbindungen im Allgemeinen nicht ferromagnetischer Elemente ferromagnetisches Verhalten aufweisen, beispielsweise Chromdioxid, Manganarsenid oder Europiumoxid.

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 energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die Austauschwechselwirkung. Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit des relativen Atomabstandes 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 Austauschwechselwirkung vermittelt, nicht durch 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 Blochwand oder Néelwand. 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. Barkhausensprünge beobachtet werden.

Siehe auch

Festkörperphysik | Elektrotechnik | Magnetismus

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