Wikipedia zu "Elementarmegnete"

Elementarmagnet
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Als Elementarmagnet bezeichnet man die kleinste magnetische Einheit in einem
ferromagnetischen Material. Der typische Elementarmagnet wird durch ein Atom im
Metallgitterverband dargestellt. Das Atom erhält seinen Magnetismus durch ein oder mehrere
Elektronen-Orbitale die mit einem Spin behaftet sind.
Besonderes Kennzeichen eines Elementarmagneten ist die Ausrichtbarkeit, teils im Verbund (siehe
dazu Bloch-Wand und Weiss-Bezirk). Diese Ausrichtbarkeit ist vom Material abhängig und teils
leicht erreichbar, z. B. durch einen Dauermagneten oder durch Hämmern, dann aber auch leicht
wieder zerstörbar, z. B. durch Thermische Behandlung (siehe auch Curie-Punkt) oder einfach im
Laufe der Zeit. Es gibt auch Materialien, die schwer auszurichten sind, z. B. nur bei hoher
Temperatur oder wenn zugleich ein sehr starkes Magnetfeld herrscht, aber im Gegenzug verlieren
diese ihren Magnetismus später auch kaum mehr.
Das Verständnis für Elementarmagnete ist nicht nur für Elektromotoren und andere magnetische
Maschinen von Bedeutung, sondern auch und vor allem für die analoge Datentechnik und die
digitale Informatik, da beide zahlreiche verschiedene magnetische Systeme zur Datenspeicherung
nutzen. Je größer die Miniaturisierung hierbei wird, desto wichtiger ist es, dass man möglichst
wenige Elementarmagneten sicher ausrichten kann, dass diese die Information lange speichern und
dass man die Information auch später wieder zurücklesen kann. Weiterhin sind natürlich die
mechanischen Eigenschaften des Stoffes von Bedeutung.
Es existieren weiterhin diverse Geräte im Forschungs- und Medizin-Sektor, zum Beispiel das MRM
(Magnetoresonanz)-Verfahren oder die Kernspintomographie, welche sich auf die magnetischen
Eigenschaften der Materie aufgrund ihrer Elementarmagneten stützen. Auch mehrere
Weiterentwicklungen der Elektronenmikroskopie verwenden Elementarmagnete, um die maximal
mögliche Vergrößerung zu steigern. Mittlerweile ist es Forschern schon gelungen, per EnergieTransfer-Messung einzelne Spins und damit das konkrete Magnet-Verhalten eines Atoms zu
vermessen. Dabei konnten unter anderem teils höchst interessante, von der Theorie angedeutete
Kondensations- oder Abkühlungseffekte beim Zuführen von Energie nachgewiesen werden.
Orbitale
Orbitale sind Einzelelektronen-Wellenfunktionen (meist mit φ oder ψ (kleines Psi) abgekürzt) in
der Quantenmechanik. Das Betragsquadrat einer Wellenfunktion
wird als
Aufenthaltswahrscheinlichkeitsdichte des Elektrons interpretiert, das sie beschreibt. Im
Orbitalmodell existieren keine Kreisbahnen wie im Atommodell von Niels Bohr und auch keine
anderen, definierten Bahnen (Trajektorien). Vielmehr brachten Entwicklungen der
Quantenmechanik die Erkenntnis, dass der genaue Aufenthaltsort der Elektronen aufgrund der
Unschärferelation Werner Heisenbergs nicht exakt, sondern nur ihre Verteilung stochastisch
beschrieben werden kann.
Da die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen mit dem Abstand vom Atomkern
asymptotisch gegen null geht und sich bis ins Unendliche erstreckt, wählt man als Orbital den
Aufenthaltsraum, in dem sich das betrachtete Elektron mit ca. 90 % Wahrscheinlichkeit aufhält.
Man erhält damit Räume, die ungefähr der Größe der Atome entsprechen. Die Begrenzungsflächen
sind Flächen gleicher Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Isoflächen). Die Abstände der größten
Wahrscheinlichkeiten innerhalb der Orbitale, ein Elektron anzutreffen, entsprechen den von Niels
Bohr errechneten Bahnabständen.
Die direkte Interpretation von Orbitalen als Wellenfunktionen ist nur bei Einzelelektronensystemen
möglich. Bei Mehrelektronensystemen werden aber Orbitale in Slater-Determinanten eingesetzt um
Mehrelektronen-Wellenfunktionen zu konstruieren. Solche Orbitale können durch Hartree-Fock-,
Kohn-Sham-Rechnungen (siehe: Dichtefunktionaltheorie (Quantenphysik)) oder MCSCFRechnungen (MCSCF: Multiconfiguration Self Consistent Field) bestimmt werden, sind aber im
Regelfall nicht eindeutig definiert (verschiedene Orbitalsätze repräsentieren die gleiche
Mehrteilchen-Wellenfunktion).
Spin
Der Spin (von engl. spin, Drehung, Drall) ist eine quantenmechanische Eigenschaft von
Elementarteilchen, die in der klassischen Physik kein Pendant hat, eine Art nicht-klassischer(!)
Eigenrotation. Weil aber die zugehörige klassische Vorstellung nach heutiger und logischer
Sichtweise falsch ist, kann der zuletzt benutzte Begriff beim Verständnis nur bedingt behilflich sein.
Der Spin verhält sich mathematisch (z. B. unter Rotationen des Raumes) bis zu gewissem Grade als
Drehimpuls: Präzise gesagt, er genügt denselben mathematischen Vertauschungsrelationen wie der
Bahndrehimpuls, unterscheidet sich aber in nicht-klassischer Weise von diesem und vom Drall
rotierender Körper durch das sog. gyromagnetische Verhältnis, d. h. im magnetischen Moment
(s.u.). Außerdem gilt der Erhaltungssatz des Gesamtdrehimpulses nur für die Summe aus
(klassischem) Bahndrehimpuls und Spin eines Systems. Daher ist der Spin im Gegensatz zum
Isospin nicht nur mathematisch eine dem Bahndrehimpuls analoge Eigenschaft, sondern tatsächlich
eine Art von Drehimpuls, allerdings von Anfang an ein nicht-klassisches Phänomen.
Schon in der nicht-relativistischen Quantenmechanik hat der Spin jedoch elementare Bedeutung
und bestimmt z. B. über das Pauli-Prinzip entscheidend den atomaren Aufbau und die Chemie aller
Substanzen. Er wird durch sog. Spinoren und Pauli-Matrizen beschrieben. Erklärt werden kann er
jedoch nur in einer relativistischen Quantenmechanik (Dirac-Theorie) und an die Stelle der
Zweierspinoren der nichtrelativistischen Theorie treten in dieser Theorie Viererspinoren.
Weiss-Bezirk
Mehrere Körner von NdFeB. Innerhalb der Körner ist durch den hell/dunkel-Kontrast die
Domänenstruktur erkennbar.
Als Weiss-Bezirke (auch weisssche Bezirke) bezeichnet man beim Magnetismus mikroskopisch
kleine magnetisierte Domänen in den Kristallen eines ferromagnetischen Stoffes. Sie wurden
benannt nach dem französischen Physiker Pierre-Ernest Weiss (1865–1940).
Weiss erkannte 1907, dass die magnetischen Momente der Atome („Elementarmagnete“) der
Ferromagnetika auch ohne Einwirkung eines äußeren Feldes in begrenzten Bezirken parallel
ausgerichtet sind. Die Größe dieser Bezirke erstreckt sich von etwa 10-6 bis 10-8 m linearer
Ausdehnung, in denen sich etwa 106 bis 109 Atome befinden. Die Richtung der Magnetisierung
orientiert sich an dem Kristallgitter des Werkstoffs. Bei Werkstoffen, deren Korngröße dieser
Größenordnung entspricht oder noch darunter liegt, sind alle Kristallite Ein-Domänen-Teilchen,
d. h. nicht weiter in Domänen unterteilt.
Von Natur aus sind die Weiss-Bezirke bis zur Sättigung magnetisiert. Die Grenzen zwischen den
Bezirken heißen Bloch-Wände. Setzt man ein hartmagnetisches Material einem steigenden
Magnetfeld aus, verschieben sich zunächst die Bloch-Wände zugunsten derjenigen Weiss-Bezirke,
die in Richtung des äußeren Feldes ausgerichtet sind. Bei weiter steigendem äußeren Feld ändern
schließlich immer mehr Weiss-Bezirke schlagartig ihre Polung (Barkhausen-Sprung). Dieses
Umklappen kann man hörbar machen, indem man den Wechselanteil bzw. die stufenförmige
Zunahme des magnetischen Feldes mit einer Spule induktiv aufnimmt und verstärkt. Bei Änderung
des äußeren Feldes entsteht ein hysteresebehaftetes Rauschen, welches Rückschlüsse auf die
magnetischen Eigenschaften des Materials zulässt.
Vergrößerung der Weiss-Bezirke durch die Ausrichtung mehrerer Domänen über ein externes
magnetisches Feld
Weiss-Bezirke treten in Analogie dazu auch in Ferroelektrika auf; sie bilden bei diesen Bereiche
einheitlicher Dipolausrichtung.