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Ferromagnetismus (von lateinisch ferrum „Eisen“) ist die Eigenschaft bestimmter Materialien, ihre Elementarmagnete parallel zueinander auszurichten. Das bedeutet, dass Stücke dieser Materialien entweder selbst ein statisches Magnetfeld verursachen oder vom Magnetpol eines äußeren Magnetfelds angezogen werden. Diese Anziehung ist unabhängig von der Polarität des äußeren Magnetfeldes und wird dadurch verursacht, dass die Richtung der parallel ausgerichteten Elementarmagnete im ferromagnetischen Material so verdreht wird, dass sie parallel zum äußeren Magnetfeld liegt. Es gibt drei bei Raumtemperatur ferromagnetische Elemente: Eisen, Nickel und Kobalt. Der Ferromagnetismus ist die im Alltag am häufigsten zu beobachtende Ausprägungsform des Magnetismus von Materie. Andere Ausprägungen sind Paramagnetismus und Diamagnetismus.
Ferromagnetische Werkstoffe magnetisieren sich in einem externen Magnetfeld so, dass sich die magnetische Flussdichte in ihrem Inneren im Vergleich zu Luft stark erhöht. Die Feldlinien konzentrieren sich. Ferromagnetische Materialien haben - ebenso wie paramagnetische - die Tendenz, in inhomogenen Magnetfeldern zum Ort des höchsten Magnetfeldes zu wandern, d. h. zum Beispiel von anderen Magneten angezogen zu werden. Hierdurch nimmt das Gesamtfeld einen energieärmeren Zustand ein, es wird mechanische Arbeit verrichtet, die bei Entfernen des Materials aus dem Feld wieder aufgebracht werden muss.
Der Faktor der Flussdichteerhöhung im Vergleich zum leeren Raum wird durch die magnetische Permeabilität µr (bzw. magnetische Suszeptibilität µr-1) des Materials bestimmt und ist bei Ferromagneten >> 1 (vgl. Paramagnetismus).
Ferromagnetische Materialien sind normalerweise Festkörper. Bekannte Anwendungen dieser Materialien sind u. a. Dauermagnete, Elektromotoren, Transformatoren sowie die diversen Formen magnetischer Datenspeicher (Magnetband, Diskette, Festplattenlaufwerk usw.).
Die Hysterese-Kurve des Ferromagnetismus wird durch Effekte in zwei verschiedenen Größenordnungen verursacht:
Viele Betrachtungen in der Theoretischen Festkörperphysik beschränken sich auf den mikroskopischen Aspekt und bezeichnen bereits die Gleichrichtung der Elementarmagnete als Ferromagnetismus. Andererseits treten die Weiss-Bezirke auch bei anderen magnetischen Ordnungen auf.
Inhaltsverzeichnis |
Ein Material wird „ferromagnetisch“ genannt, wenn es in einem externen Magnetfeld eine eigene, vom äußeren Magnetfeld unabhängige, sog. „spontane“ Magnetisierung zeigt. Diese ist also nicht „induziert“, wie bei „diamagnetischem“ oder „paramagnetischem“ Material. Vielmehr bestimmt das externe Magnetfeld nur die Richtung der Elementarmagnete, während deren Betrag davon unabhängig ist. Das externe und das vom ferromagnetischem Material ausgehende Magnetfeld haben i. A. die gleiche Ausrichtung, daher entsteht zwischen dem externen Gegenstand und dem Magneten eine magnetische Anziehungskraft. Ein ferromagnetisches Material wird aus diesem Grund sowohl von magnetischen Nordpolen als auch von Südpolen in gleicher Weise angezogen.
In weichmagnetischen Materialien verliert sich diese Magnetisierung zum größten Teil sofort, wenn der Gegenstand wieder aus dem externen Magnetfeld entfernt wird, insbesondere, nachdem alternierende Felder angelegt wurden. Im Allgemeinen bleibt lediglich ein kleiner Restmagnetismus zurück, die so genannte Remanenz. Es gibt jedoch auch Materialien, bei denen diese Remanenz ziemlich groß ist und eine dauerhafte (permanente) starke Magnetisierung erreicht werden kann. Solche hartmagnetischen Materialien, z. B. gehärteter Stahl, können zu Permanentmagneten magnetisiert werden oder von vornherein als Permanentmagnete existieren, das heißt, eine deutliche erkennbare (makroskopische) Magnetisierung dauerhaft annehmen.
Die Remanenz-Magnetisierung kann durch Anlegen eines magnetischen Gegenfeldes beseitigt werden, was bei Erreichen der Koerzitivfeldstärke geschieht. Bei hartmagnetischen Stoffen ist die Höhe des notwendigen Gegenfeldes dabei größer als bei weichmagnetischen Stoffen. Bei Permanentmagneten ist sowohl eine hohe Remanenz als auch eine hohe Koerzitivfeldstärke erwünscht.
Vom Ferromagnetismus ist der Ferrimagnetismus (z. B. in Ferriten) zu unterscheiden, der makroskopisch zwar ähnliche Eigenschaften hat, mikroskopisch aber mit dem Antiferromagnetismus verwandt ist. Bei ihm sind die Elementarmagnete jeweils wie beim Antiferromagnetismus abwechselnd entgegengesetzt gerichtet, in den zwei Richtungen jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt, weshalb - anders als beim Antiferromagnetismus - für jedes Paar eine Magnetisierung verbleibt.
| Substanz | <math>T_{\mathrm{C}}</math> 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, Cobalt und Nickel bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf. Bei tieferen Temperaturen werden auch die Lanthanoide Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium und Erbium ferromagnetisch.
In der Praxis verwendet man häufig ferromagnetische Legierungen wie z. B. AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 („Permalloy“), oder NiFeCo-Legierungen („Mumetall“). Bemerkenswert ist, dass unter bestimmten Umständen auch einige Verbindungen im Allgemeinen nicht ferromagnetischer Elemente ferromagnetisches Verhalten aufweisen, beispielsweise Chromdioxid, Manganarsenid, Europium(II)-oxid oder die suprafluide A-1-Phase von He-3, ferner die sog. Heusler-Legierungen.
Ebenfalls bemerkenswert ist, dass der bekannteste ferromagnetische Stoff, Eisen, als Hauptbestandteil einer austenitischen Legierung nicht ferromagnetisch wirkt. Austenitische Gefüge sind Bestandteil vieler nichtrostender Stähle und von Edelstahl-Sorten. (Eisen kristallisiert bei Zimmertemperatur im kubisch-raumzentrierten Gitter. Austenitische Legierungen sind dagegen überwiegend flächenzentriert.)
Generell ist das Vorhandensein ferromagnetischer Eigenschaften davon abhängig, dass in der Elektronenkonfiguration des Grundzustandes des fraglichen Metalls oder der Verbindung ungepaarte Elektronen vorhanden sind, was im Wesentlichen nur bei Übergangsmetallen und Seltenen Erden vorkommt.
Ferromagnetismus tritt normalerweise nur im festen Aggregatzustand auf, weil die Curie-Temperatur dieser Materialien niedriger als die Schmelztemperatur ist. Ferromagnetismus wurde allerdings auch in einer unterkühlten Schmelze beobachtet.[1] Ferrofluide sind Suspensionen von festen magnetischen Teilchen in einer nicht magnetischen Flüssigkeit.
Träger der elementaren magnetischen Momente sind die Elektronenspins. Wie bei anderen kooperativen magnetischen Phänomenen ist auch beim Ferromagnetismus die magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung viel zu schwach, um für die Ordnung der Spins verantwortlich zu sein. Sie hat aber, im Gegensatz zur Austauschwechselwirkung (siehe unten), sehr große Reichweite und ist deshalb trotzdem für die Anwendungen wichtig. Bei der ferromagnetischen Ordnung kommt noch hinzu, dass die parallele Ausrichtung magnetischer Momente für die Dipol-Dipol-Wechselwirkung energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die quantenmechanische 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 nicht-klassisches Phänomen, das nicht einfach zu verstehen ist:
Im Detail muss nach dem Pauli-Prinzip für eine antisymmetrische Ortswellenfunktion die zugehörige Spinwellenfunktion symmetrisch sein (z. B. bei parallelen Spins im Zwei-Elektronen-System). Man kann zeigen, dass der durchschnittliche Abstand der beiden Teilchen bei einer antisymmetrischen Ortswellenfunktion größer ist und damit für Teilchen gleicher Ladung deren Coulomb-Abstoßung geringer. Die Austauschwechselwirkung bewirkt hier also eine effektive Absenkung der potentiellen Energie. Andererseits können sich die Elektronen mit parallelem Spin nach dem Pauli-Prinzip nicht im selben Ortszustand befinden und müssen sukzessive höhere Niveaus besetzen, wodurch ihre kinetische Energie zunimmt. Die spontane Parallelstellung der Spins und damit eine ferromagnetische Ordnung wird also nur zustande kommen, wenn die Absenkung der potentiellen Energie die Erhöhung der kinetischen Energie überkompensiert. Das ist der Grund, weshalb nur die wenigen genannten Materialien ferromagnetisch sind, die breite Mehrheit aber nicht.
Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit vom relativen Atomabstand zeigt, z. B. für die gängigen Materialien (Cr, Mn, Fe, Co, Ni). Der relative Atomabstand ist hierbei das Verhältnis des Atomabstandes der benachbarten Atome zum Durchmesser der nicht abgeschlossenen Elektronenschale.
In einem Satz:
Die magnetische Leitfähigkeit <math>\mu = \mu_0 (1 + \chi)</math> und damit die Magnetische Suszeptibilität <math>\chi</math> ist bei Ferromagneten nicht konstant, sondern eine komplizierte Funktion der angelegten Feldstärke und von der Magnetisierungs-Vorgeschichte abhängig. Meist wird daher die (differentielle) magnetische Suszeptibilität <math>\chi</math> als Ableitung der Magnetisierung nach der Feldstärke betrachtet. Sie verschwindet im Sättigungsbereich.
Für den Zusammenhang zwischen Magnetisierung <math> \vec M</math> und magnetischer Flussdichte <math> \vec B</math> gilt im übrigen die Beziehung
Ferromagnetismus entsteht dadurch, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen, die durch die Wechselwirkung der Momente untereinander auch ohne äußeres Magnetfeld bestehen bleibt. Die Bereiche gleicher Magnetisierung werden Domänen oder Weiss-Bezirke genannt. Sie treten in Größen von 0,01 µm bis 1 µm auf und sind im unmagnetisierten Zustand der Substanz nicht einheitlich orientiert.
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 übersteigt in einem ausgedehnten Ferromagneten der magnetische Energieaufwand irgendwann 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 Drehung der Magnetisierung in der Wand spricht man von Bloch-Wänden oder Néel-Wänden (bei Blochwänden erfolgt die Drehung der Magnetisierung in der Senkrechten zur Wandebene; bei Néelwänden erfolgt sie dagegen innerhalb der Wandebene; Néelwände dominieren nur bei sehr dünnen magnetischen Schichten). Daneben gibt es auch andere Wand-Typen mit topologischen Singularitäten, sog. Blochlinien und Blochpunkten, die mit Änderungen des Drehverhaltens innerhalb der Wand verbunden sind. Diese Unterschiede, die sich im 10-Nanometer-Bereich bewegen können, sind subtil, aber für aktuelle Anwendungen in der Informationstechnologie interessant.
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.
Aufgrund der nicht-kontinuierlich erfolgenden Ausrichtung der Weiss-Bezirke unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder können sog. Barkhausen-Sprünge beobachtet werden.
Die magnetische Ordnung wird bei hohen Temperaturen aufgebrochen, die Ferromagnete sind dann nur noch paramagnetisch. Die Temperatur, oberhalb derer die ferromagnetische Ordnung verschwindet, wird als Curie-Temperatur <math>T_{\mathrm{C}}</math> (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 die Flüssigkeits- oder Gasphase.
| Material | Flussdichte in Tesla, bei der die magnetische Sättigung einsetzt |
|---|---|
| Cobalt-Eisen (Fe mit 47 bis 50 % Co) | 2,35 |
| Silicium-Eisen (Fe mit 3 bis 4 % Si) | 1,5 bis 2 |
| Nickel-Eisen (Fe mit 30 bis 50 % Ni) | 1,2 bis 1,5 |
| Ferrit (MnZn) | 0,4 |
| Ferrit (NiZn) | 0,2 |
Unter Sättigungsmagnetisierung versteht man jene Magnetisierung <math>M</math>, bei der in einem meist ferromagnetischen Stoff eine Erhöhung der äußeren magnetischen Feldstärke <math>H</math> keine Erhöhung der Magnetisierung des Stoffes mehr bewirkt.[3] Dieser hat einen konstanten, materialspezifischen „Sättigungswert“ erreicht. Anders ausgedrückt wird die (differentielle) magnetische Suszeptibilität <math>\chi</math> als Ableitung der Magnetisierung nach der Feldstärke betrachtet. Sie verschwindet im Sättigungsbereich.
Eine besonders gute Leitfähigkeit für den magnetischen Fluss <math>\Phi</math> ist die wesentliche Eigenschaft vor allem ferromagnetischer Werkstoffe wie beispielsweise Weicheisen, Dynamoblech oder bestimmter Ferrite. Dies begründet den Einsatz dieser Werkstoffe, wo es auf die räumliche Führung von magnetischen Flüssen ankommt, beispielsweise in Eisenkernen von Transformatoren. Durch eine Steigerung der magnetischen Feldstärke in diesen Materialien wird der Bereich der Sättigungsmagnetisierung erreicht, wo es zu einem starken Abfall der magnetischen Leitfähigkeit kommt. Die magnetische Sättigung ist bei diesen technischen Anwendungen daher meist unerwünscht.
Trägt man bei einem Werkstoff die magnetische Flussdichte <math>B</math> gegenüber der von außen aufgebrachten magnetischen Feldstärke <math>H</math> in einem Diagramm auf, ergibt sich die Hysteresekurve (Magnetisierungskurve). Die Abflachung der Steigung kennzeichnet dabei anschaulich den Beginn der Sättigungsmagnetisierung.
Der Begriff Hysterese (griech.: hysteros = hinterher, später) charakterisiert ein System, dessen veränderliche Ausgangsgröße nicht allein von der Eingangsgröße abhängig ist, sondern auch von deren Verlaufsgeschichte. Ein solches Hystereseverhalten tritt auch bei ferromagnetischen, magnetisch leitfähigen Stoffen wie Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen auf. Erhöht man die magnetische Feldstärke <math>H</math> in einem vorher nicht magnetisierten ferromagnetischen Stoff, erhöht sich in dessen Umgebung die magnetische Flussdichte <math>B</math>. Verringert man die Feldstärke wieder auf Null, bleibt die magnetische Flussdichte auf einem Wert ungleich Null stehen. Der ferromagnetische Stoff behält etwas Restmagnetismus zurück (Remanenz). Die magnetische Flussdichte hängt nicht nur von der magnetischen Feldstärke ab, sondern auch von deren zeitlichem Verlauf.
Die magnetische Flussdichte <math>B</math> in einem ferromagnetischen Stoff wird von der Stärke des umgebenden Magnetfeldes (<math>H</math>) bestimmt. Wird <math>H</math> genügend erhöht, steigt <math>B</math> wegen der Sättigung von <math>B</math> nur noch sehr geringfügig an. Geht das äußere Magnetfeld zurück, so nimmt die Flussdichte wieder ab. Die magnetische Flussdichte erreicht bei dem gleichen Wert einer Feldstärke, die im Abnehmen begriffen ist, einen höheren Wert als er während des Zunehmens der Feldstärke auftrat. Wird <math>H</math> gänzlich auf Null gesenkt, geht <math>B</math> nicht auf Null zurück, sondern nur bis zur sogenannten Remanenz <math>B_R</math>. Um die Magnetisierung wieder auf Null zu bringen, muss daher ein entgegengesetztes Magnetfeld mit der Koerzitivfeldstärke <math>-H_\mathrm{C}</math> aufgebaut werden. Da noch ein äußeres Magnetfeld anliegt, spricht man hier noch nicht von Entmagnetisierung, für die vielmehr mehrere Schritte notwendig sind. Ein erneutes Umkehren der Feldstärke von <math>H</math> führt dazu, dass der untere Ast der Hysteresekurve durchlaufen wird. Dieser Hysteresevorgang lässt sich gut am Verlauf der Hysteresekurve oder Hystereseschleife verdeutlichen. Ein vollständiges Durchlaufen der Hysteresekurve wird als Hysteresezyklus bezeichnet. Nur ein in der Amplitude abklingendes magnetisches Wechselfeld führt durch die allmähliche Annäherung der Hysteresezyklen an den Nullpunkt zur vollständigen Entmagnetisierung.
Die Ursache für das Verhalten sind die sogenannten Weiss-Bezirke. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Spins der Elektronen, die als Elementarmagnete aufgefasst werden können, innerhalb eines Bezirks parallel zueinander sind. Die Grenzen zwischen den Bezirken heißen Bloch-Wände.[4] Wird nun ein äußeres Magnetfeld angelegt, so wachsen die Bezirke, deren Orientierung der Ausrichtung des Magnetfeldes entspricht, auf Kosten der anderen Bezirke, indem Elektronen in den anderen Bezirken „umklappen“, sich also parallel zum Magnetfeld ausrichten. Anschaulich entspricht das einer Verschiebung der Bloch-Wände.
Störstellen, die in jedem Ferromagnetikum existieren, (in Eisen z. B. Kohlenstoffeinschlüsse) verhindern jedoch, dass das Verschieben der Bloch-Wände gleichmäßig verläuft. Wenn eine Bloch-Wand beim Verschieben auf eine Störstelle trifft, so bleibt sie zuerst an ihr hängen, und es bildet sich hinter der Störstelle eine Art Blase, in der die Spins der Elektronen noch nicht umklappen. Erst ab einer bestimmten Feldstärke schließt sich diese Blase, was zu einer plötzlichen Änderung der Magnetisierung führt. Dieser Vorgang wird Barkhausen-Sprung genannt. Durch diese ungleichmäßigen Wandverschiebungen wird eine Entmagnetisierung entlang der Neukurve unmöglich. Sie sind der Grund für das Entstehen der Hysteresekurve.
Wenn alle Elektronenspins im Ferromagnetikum an dem Feld ausgerichtet sind, ist die Sättigung erreicht. Wird nun das äußere Feld entfernt, kehren nicht alle Elektronen zur ursprünglichen Ausrichtung zurück. Die Magnetisierung sinkt bis auf das Remanenz-Niveau ab. Erst durch die Zufuhr zusätzlicher Energie kann der Stoff wieder entmagnetisiert werden. Stoffe mit hoher Remanenz sind nicht zwingend hartmagnetisch. Hartmagnetische Stoffe (Dauermagnete) benötigen eine hohe Koerzitivfeldstärke. Die Remanenz in einem Transformatorkern ist weniger vom Kernmaterial abhängig, sondern hängt stark von der Bauform des Kernes ab: Ein Ringkerntransformator-Kern hat eine sehr hohe Remanenz, weil keinerlei Luftspalte im Magnetkreis liegen. Ein Transformator mit technologisch bedingten oder absichtlich eingebauten Luftspalten hat dagegen durch Scherung (Neigung) der Hysteresekurve eine geringe Remanenz, obwohl das Kernmaterial selbst eine hohe Remanenz besitzen kann.
Die von der Hysteresekurve eingeschlossene Fläche entspricht der Energie, die im Stoff bei seiner vollständigen Ummagnetisierung in Wärme umgewandelt wird. Bei elektromagnetischen Bauteilen macht sie sich als "Ummagnetisierungsverlust" bzw. zusätzlicher Energieaufwand bemerkbar. Dieses Integral sollte im Fall von Speichermedien möglichst hoch sein. Im Fall von Kernen von Transformatoren sollte es möglichst klein sein, um nur geringe Energieverluste zu verursachen. Für andere Zusammenhänge gilt das in ähnlicher Weise. Typisch für die Hysterese ist das Auftreten von bistabilem Verhalten. Bei gleichen Umgebungsbedingungen ist der Zustand von der Vergangenheit, der wirkenden Spannungszeitfläche vor dem Ausschalten, abhängig. Entsprechend wird ein bestimmter Punkt im Zustandsdiagramm erreicht.
Unter Berücksichtigung der Form der Hystereseschleife kann man einen Stoff gezielt aufmagnetisieren. Entsprechende Verfahren finden Anwendung bei der Herstellung von Dauermagneten oder beim Beschreiben von magnetischen Speichermedien (Magnetband, Festplatte, Kernspeicher). Im Falle hoher Koerzitivfeldstärken spricht man von magnetisch hartem Material, da zu ihrer Neuorientierung hohe Feldstärken benötigt werden. Bei Speichermedien entspricht dies einer hohen Datensicherheit, da die geschriebenen Informationen nicht durch zufällige Streufelder umorientiert werden. Bei geringen Koerzitivfeldstärken spricht man dagegen von magnetisch weichem Material. Die Bezeichnungen rühren daher, dass reines (also weiches) Eisen im Vergleich zu magnetischen Stählen eher weichmagnetisch ist. Sehr weichmagnetisch ist das oben erwähnte Permalloy, Ni80Fe20. Wenn man gezielt noch ein wenig Co zulegiert, erhält man das extrem weichmagnetische Supermalloy, mit dem man Räume so abschirmt, dass man die extrem schwachen Magnetfelder von Hirnströmen messen kann. Sehr weichmagnetisch sind auch die sog. Metallischen Gläser auf Eisenbasis, amorphe Legierungen, die in der Struktur flüssigen Metall-Legierungen nahe dem Schmelzpunkt ähneln.
Ferromagnetische Werkstoffe weisen eine hohe Permeabilität mit <math>\mu_r</math> >> 1 auf. Dadurch werden die magnetischen Feldlinien gut im Vergleich zum umgebenden Material (etwa Luft mit <math>\mu_r</math> ≈ 1) geleitet. Deshalb finden ferromagnetische Werkstoffe etwa in Elektromagneten und Transformatoren Verwendung.
Weitere Anwendungen (z. B. in elektronischen Speichermedien) sind derzeit vor allem im Zusammenhang mit den Informationstechnologien aktuell, z. B. der sog. GMR und der TMR, wobei es bei den Anwendungen um Leseköpfe bei magnetischen Festplatten geht. Dafür wurde 2007 der Physik-Nobelpreis vergeben, und zwar an Peter Grünberg aus Jülich und Albert Fert aus Paris.
