Ferromagnetismus

Ferromagnetismus
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Es gibt paramagnetische Materialien, bei denen sich die magnetischen Spinmomente
auch ohne Einwirkung eines externen Magnetfeldes innerhalb kleiner Kristallbereiche
gleichsinnig ausrichten.
Diese Bereiche werden auch als Weißsche Bezirke bezeichnet.
Man spricht dabei von einer spontanen Magnetisierung.
Diese Stoffe bezeichnet man als ferromagnetische Stoffe.
Kennzeichen der Einzelatome dieser Stoffe sind nicht vollständig gefüllte innere
Elektronenschalen, wie vor allem bei den Übergangsmetallen, wie Eisen, Nickel,
Cobalt.
Unter geeigneten Bedingungen kann die Wechselwirkung der resultierenden
Spinmomente benachbarter Atome zur Bildung magnetischer Ordnungszustände
innerhalb bestimmter (Weißscher) Bezirke führen.
Innerhalb eines Weißschen Bezirkes sind die Spinmomente der Einzelatome
gleichgerichtet.
Die Weißschen Bezirke sind durch die sog. Bloch-Wände getrennt.
Sie sind die Übergangszonen zwischen Bereichen anderer Spinmomentorientierung.
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Die Ausrichtung der Spinmomente in den Bezirken wird mit zunehmender Temperatur
zerstört.
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Oberhalb der ferromagnetischen Curie-Temperatur ist die magnetische Ordnung
vollständig aufgehoben.
Die Stoffe sind dann nur noch paramagnetisch.
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Verhalten von Ferromagnetika in externen Magnetfeldern
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Durch Anlegen eines äußeren Feldes werden die Weißschen Bezirke zunehmend in
Feldrichtung ausgerichtet und das magnetische Feld im Material verstärkt.
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Die Permeabilitätszahl ist zwar nicht konstant, sondern vom externen Magnetfeld
abhängig, aber
 r  1
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Diese Abhängigkeit bestimmt auch den Zusammenhang zwischen der magnetischen
Flussdichte B im Material und der Feldstärke des externen Magnetfeldes H.
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Die folgende Abbildung zeigt die typische „Hysterese-Kurve“ eines Ferro-Magneten.
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Wird ein Ferromagnet zum ersten Mal einem externen Magnetfeld ausgesetzt, so wird
die Neukurve vom Punkt 0 bis zur Sättigungsinduktion Bs durchlaufen.
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Beim Durchgang durch die Neukurve laufen drei Elementarprozesse ab:
a) Zunehmende Ausrichtung der Spinmomente bewirkt reversible
Wanderschiebungen der Blochwände. Diese Vorgänge sind noch leicht
umzukehren.
b) Bei größeren Magnetfeldern finden dann schwerer umzukehrende irreversible
Wandverschiebungen statt.
c) Bei weiter zunehmenden Feldstärken finden nur noch Drehprozesse statt, bei
denen die Spinmomente vollständig in Feldrichtung ausgerichtet werden.
Das Material ist dann bis zur Sättigung Bs magnetisiert.
Ab diesem Punkt nimmt B nur noch proportional zu H zu.
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Nach Abschaltung des Magnetfeldes bleibt im Material eine Restinduktion übrig, die
Remanenzflussdichte BR.
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Zum Abbau der Magentisierung muss eine Gegenfeldstärke, die sog.
Koerzitivfeldstärke aufgebaut werden.
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Allerdings wird jetzt nicht mehr die Neukurve, sondern immer die sog.
Hysteresekurve durchlaufen.
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Die von der Hysteresekurve eingeschlossene Fläche ist ein Maß für die
Ummagnetisierungsarbeit.
Hart- und Weichmagneten
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Eine breite und hohe Hysteresekurve mit großen Werten für Hc und BR kennzeichnet
einen schwer umzumagnetisierenden Stoff.
Solche Materialien sind hartmagnetisch.
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Stoffe mit einer schmalen Hysteresekurve sind weichmagnetische Materialien.
Anwendungen z.B. als Transformatorbleche, Abschirmungen)