Was sind denn nun die Elementarmagnete?

Ph 9 / Gl
Was sind denn nun die Elementarmagnete?
Nachdem Oersted 1820 auf den Zusammenhang von Strömen und Magnetfeldern gestoßen
war, vermutete Ampère, dass die kleinen magnetischen Dipole (“Elementarmagnete”) in den
ferromagnetischen Stoffen durch “atomare Kreisströme” erzeugt werden.
Dies erschien damals wenig glaubhaft, zumal es im 19. Jahrhundert noch kein annähernd
korrektes Atommodell gab: ständig fließende atomare Ströme (ohne Widerstand / Reibung)
innerhalb von Permanentmagneten ?!
Dennoch war Ampères Idee richtig, allerdings dauerte es noch über 100 Jahre, bis eine befriedigende Theorie des Ferromagnetismus erschaffen wurde: 1928 gelang dies den Physikern
Heisenberg, Frenkel und Bloch im Rahmen der Quantenphysik. Die magnetischen Eigenschaften der Materie theoretisch zu verstehen, ist bis heute eine wichtige und extrem schwierige
Aufgabe der Festkörperphysik.
Grob gesagt stellen die Elektronen bei ihrer Bewegung um den Atomkern einen Strom dar,
welcher ein Magnetfeld erzeugt (ihr “Bahndrehimpuls” erzeugt ein “magnetisches Moment”).
Bei genauerer quantenmechanischer Betrachtung stellt sich jedoch heraus, dass der wichtigste
Beitrag zur Erklärung des atomaren Magnetismus vom Eigendrehimpuls – dem Spin – des
Elektrons kommt (neben der negativen Ladung eine grundlegende Eigenschaft des Elektrons,
die nur quantenphysikalisch richtig zu verstehen ist, da sie kein klassisches Analogon besitzt).
Das Elektron selbst stellt aufgrund seines Spins einen Elementarmagneten dar,
dessen magnetisches Moment man genau berechnen kann.
Ob ein Atom mit mehreren Elektronen insgesamt ein magnetisches Moment besitzt, hängt
subtil mit der Besetzung seiner Energieniveaus (“Orbitale”) durch die Elektronen zusammen.
Bei Atomen mit abgeschlossener Schalenstruktur heben sich z.B. die magnetischen Momente
der Elektronen nach außen hin auf. Beim Eisen hingegen sind die Elektronen in der nicht
voll besetzten 3d-Schale für das magnetische Moment des Fe-Atoms verantwortlich (ähnlich
bei Co und Ni).
Diese atomaren magnetischen Momente alleine wären allerdings viel zu schwach, um den starken Magnetismus von Ferromagneten zu erklären, denn aufgrund der ungeordneten Temperaturbewegung der Fe-Atome würden sich die atomaren magnetischen Momente nach außen
hin so gut wie aufheben. Hier kommt noch ein weiterer quantenphysikalischer Effekt ins
Spiel: Durch die sog. Austauschwechselwirkung (Spin-Spin-Wechselwirkung) richten benachbarte Atome ihre Spins und damit ihre Elementarmagnete parallel aus. Dies führt dazu, dass
sich innerhalb eines ferromagnetischen Kristalls kleine Bereiche (sog. Weiß sche Bezirke, ca.
100 µm im Durchmesser) ausbilden, die ein starkes Magnetfeld aufweisen. Aus energetischen
Gründen sind diese untereinander zunächst so angeordnet, dass sich ihre magnetische Wirkung nach außen hin aufhebt. Beim Magnetisieren des Kristalls in einem äußeren Magnetfeld
“klappen die Bezirke um” und orientieren sich in dieselbe Richtung, wodurch der Kristall
zum eigentlichen Magneten wird. Enthält er zudem Verunreinigungen (wie z.B. Kohlenstoffatome), so wird das “Zurückklappen” weitgehend verhindert: Man hat ein magnetisch hartes
Material vorliegen, welches auch nach Entfernen des äußeren Magnetfeldes magnetisch bleibt.