Magnetismus ist ein Phänomen, das uns in vielen Naturphänomenen und technischen Anwendungen begegnet. Von antiker Zeit bis heute hat Magnetismus eine große Bedeutung. Dabei unterscheidet man zwischen verschiedenen Formen von Magnetismus wie Dia-, Para- und Ferromagnetismus.
Ferromagnetismus
Der Ferromagnetismus spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen technischen Anwendungen wie Elektrogeneratoren, Transformatoren, Relais sowie in der Datenspeicherung und -verarbeitung. In den letzten Jahren ist der Ferromagnetismus zu einem spannenden Forschungsgebiet geworden, da neue physikalische Effekte entdeckt wurden und neue Materialien entwickelt und untersucht werden können.
Ursprung des Ferromagnetismus
Der Ferromagnetismus hat seinen Ursprung darin, dass einzelne Atome mit nicht abgeschlossenen Elektronenschalen sich wie kleine Stabmagnete, also magnetische Dipole, verhalten. Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich aus dem Spin, der Eigendrehung der Elektronen, und dem Bahndrehimpuls der Elektronen um den Atomkern zusammen. Unter bestimmten Umständen koppeln die magnetischen Momente der einzelnen Atome miteinander und zeigen in die gleiche Richtung. Dies wird durch die Austauschwechselwirkung, eine besondere Kraft, die mit den Gesetzen der Quantenmechanik erklärt werden kann, verursacht. Materialien, bei denen diese Ausrichtung auftritt, nennt man Ferromagnete.
Magnetische Eigenschaften
Die magnetischen Eigenschaften eines Festkörpers hängen von seiner Kristallstruktur ab. Die atomaren magnetischen Momente werden durch das komplexe Zusammenspiel der Elektronen und die Bindungsverhältnisse im Kristall modifiziert. Das Bahnmoment der Elektronen richtet sich so aus, dass die Energie der Elektronen minimal ist. Unter bestimmten Umständen kann es zu einer teilweisen Auslöschung des Bahndrehimpulses kommen, wodurch die Spins das magnetische Moment bestimmen. Je stärker die Richtungsabhängigkeit oder Anisotropie der physikalischen Eigenschaften des Kristalls ist, desto weniger wird der Bahndrehimpuls ausgelöscht. Solche Materialien bezeichnet man als hartmagnetisch.
Domänenstruktur
Die atomaren magnetischen Momente im ferromagnetischen Material ordnen sich kollektiv parallel zueinander an. Allerdings ist dies nicht der energetisch günstigste Zustand, da große Magnetfelder verursacht würden. Daher bilden sich winzige Bereiche, Domänen genannt, aus. In den domänenbildenden Materialien wie Weicheisen bilden sich Domänen mit gleichgerichteten magnetischen Momenten aus. Die Magnetisierungen der einzelnen Domänen kompensieren sich gegenseitig, wodurch die Gesamtmagnetisierung verschwindet. Die Größe und Struktur der Domänen hängen von der Größe der atomaren Momente und deren Ankopplung an das Kristallgefüge ab. Die Domänenstruktur ist ein wichtiger Faktor, der die makroskopischen Eigenschaften des magnetischen Systems bestimmt.
Magnetismus ist ein faszinierendes Phänomen, das in vielen Bereichen eine große Bedeutung hat. Von der Antike bis heute wird der Magnetismus intensiv erforscht und weiterentwickelt, um seine Anwendungen in verschiedenen technischen Bereichen zu optimieren.
