Ferromagnetismus

Hysteresekurve: Die Neukurve bei erstmaliger Magnetisierung ist blau eingezeichnet, die Verläufe bei wiederholter wechselnder Magnetisierung mit den gleichen Werten sind grün eingezeichnet.

Ferromagnetismus (von lat.: ferrum = Eisen + Magnet) ist die "normale" Form des Magnetismus, so wie er z.B. in Eisen, Kobalt und Nickel auftritt.

Ein wesentliches Charakteristikum der Ferromagneten ist die S-förmige Hysterese-Kurve, die entsteht, wenn man die Magnetisierung des Materials über dem von außen angelegten Magnetfeld aufträgt. Diese Kurve wird durch Effekte in zwei verschiedenen Größenordnungen verursacht:

Innerhalb der Weiss-Bezirke zeigen dabei alle Elementarmagneten jeweils in dieselbe Richtung. Ist das Material nicht magnetisiert, so zeigen jedoch die Magnetisierungen der Elementarmagneten in verschiedene Richtungen. Legt man ein Magnetfeld an, so ordnen sich die Weiss-Bezirke entsprechend an und die Magnetisierung wächst. Weisen die Magnetisierungen aller Weiss-Bezirke in dieselbe Richtung, so lässt sich die Magnetisierung des Materials nicht mehr vergrößern: es ist eine Sättigung erreicht.

Nimmt das von außen angelegte Magnetfeld ab, so beginnen sich die Weiß-Bezirke wieder umzuordnen und die Magnetisierung wird schwächer. Es verbleibt jedoch bei abgestelltem äußeren Magnetfeld eine Remanenz-Magnetisierung. Um das Material wieder zu entmagnetisieren, muss vielmehr in Gegenrichtung ein Magnetfeld angelegt werden, die sogenannte Koerzitivfeldstärke.

Einführung

Ein Material wird "ferromagnetisch" genannt, wenn es in einem externen Magnetfeld selbst eine Magnetisierung zeigt. Die Elementarmagnete richten sich entsprechend diesem Magnetfeld aus. Die beiden Magnetfelder haben die gleiche Ausrichtung, daher entsteht zwischen dem Gegenstand und dem Magneten eine magnetische Anziehungskraft. Ein ferromagnetisches Material wird aus diesem Grund sowohl von magnetischen Nordpolen als auch von Südpolen angezogen.

Im Normalfall verliert sich diese Magnetisierung zum größten Teil sofort, wenn der Gegenstand wieder aus dem externen Magnetfeld entfernt wird. Lediglich ein kleiner Restmagnetismus bleibt zurück, die so genannte Remanenz. Es gibt jedoch auch Materialien, bei denen diese Remanenz größer ist und eine dauerhafte (permanente) starke Magnetisierung erreicht werden kann. Solche ferromagnetischen Körper, z.B. aus gehärtetem Stahl, können zu Permanentmagneten magnetisiert werden, 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 "magnetisch harten" Stoffen ist die Höhe des notwendigen Gegenfeldes dabei größer als bei "weichen" Stoffen. Bei Permanentmagneten ist sowohl eine hohe Remanenz als auch eine hohe Koerzitivfeldstärke erwünscht.

Die bekanntesten ferromagnetischen Stoffe bei Raumtemperatur sind Eisen, Cobalt und Nickel. Die meisten anderen Metalle sind nicht ferromagnetisch und sind daher weder (in ferromagnetischer Weise) magnetisierbar, noch werden sie von einem Magneten angezogen, z.B. Aluminium, Kupfer, Messing, Silber Gold. Im Alltag lässt sich daher mit einem Magneten leicht prüfen, ob ein metallener Gegenstand aus Eisen ist oder nicht. Eine Ausnahme hiervon stellen austenitische Legierungen dar, die Bestandteil vieler nicht rostender Stähle sind. Ein austenitisches Gefüge ist nicht ferromagnetisch, obwohl es hauptsächlich aus Eisen besteht.

Vom Ferromagnetismus ist der Ferrimagnetismus (z.B. in Ferriten) zu unterscheiden, der zwar ähnliche Eigenschaften hat, aber mit dem Antiferromagnetismus verwandt ist.

Entstehen von Ferromagnetismus

Ferromagnetismus entsteht dadurch, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen. 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 Ausrichtungsprozesse der Domänen werden Barkhausensprünge genannt.

Die magnetische Ordnung wird bei hohen Temperaturen aufgebrochen, die Ferromagneten sind dann nur noch paramagnetisch. Die Temperatur, oberhalb derer die ferromagnetische Ordnung verschwindet, wird als Curie-Temperatur TC (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.

Stoffe mit ferromagnetischen Eigenschaften

Substanz TC 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, Kobalt 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, NiFe ("Permalloy"), oder NiFeCo ("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.

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.

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, da Hauptgruppenelemente im Grundzustand stets vollständig gefüllte s- und p-Orbitale besitzen.

Physikalischer Ursprung

Träger der elementaren magnetischen Momente sind die Elektronenspins. Wie bei anderen kooperativen magnetischen Phänomenen ist auch beim Ferromagnetismus die magnetische Wechselwirkung viel zu schwach, um für die Ordnung der Spins verantwortlich zu sein. Bei der ferromagnetischen Ordnung kommt noch hinzu, dass die parallele Ausrichtung magnetischer Momente für die magnetische Wechselwirkung energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die so genannte 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 quantenmechanisches 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 Zustand 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.

Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit vom relativen Atomabstand zeigt. Der relative Atomabstand ist hierbei das Verhältnis des Atomabstandes der benachbarten Atome zum Durchmesser der nicht abgeschlossenen Elektronenschale.

In einem Satz: "Die Ordnung der magnetischen Momente wird durch die (quantenmechanische!) Austauschwechselwirkung vermittelt, nicht durch (klassische!) magnetische Wechselwirkung."

Die magnetische Leitfähigkeit μ = μ0(1 + χ) und damit die Magnetische Suszeptibilität χ 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 χ als Ableitung der Magnetisierung nach der Feldstärke betrachtet. Sie verschwindet im Sättigungsbereich.

Die Magnetisierung steht mit der magnetischen Flussdichte  \vec B über

\vec B = \mu_0 (\vec H + \vec M) = \mu \vec H

in Verbindung, mit

\vec M = \chi \vec H.

Sättigung

Magnetisierungskurven von neun ferromagnetischen Stoffen mit Darstellung des Sättigungsbereiches. 1. Stahlblech, 2. Siliziumstahl, 3. Gußstahl, 4. Wolframstahl, 5. Magnetstahl, 6. Gusseisen, 7. Nickel, 8. Cobalt, 9. Magnetit

Unter Sättigungsmagnetisierung versteht man jene Magnetisierung M, bei der in einem meist ferromagnetischen Stoff eine Erhöhung der äußeren magnetischen Feldstärke H keine Erhöhung der Magnetisierung des Stoffes mehr bewirkt. Dieser hat einen konstanten, materialspezifischen "Sättigungswert" erreicht. Anders ausgedrückt wird die (differentielle) magnetische Suszeptibilität χ als Ableitung der Magnetisierung nach der Feldstärke betrachtet. Sie verschwindet im Sättigungsbereich.

Eine besonders gute Leitfähigkeit für den magnetischen Fluss Φ 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 Flussdichte 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 B gegenüber der von außen aufgebrachten magnetischen Feldstärke H in einem Diagramm auf, ergibt sich die (Magnetisierungskurve), Hysteresekurve. Die Abflachung der Steigung kennzeichnet dabei anschaulich den Beginn der Sättigungsmagnetisierung

Material Flussdichte in Tesla bei welcher
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

Praxisbezüge

Hysterese

Barkhausen-Sprung - Verschiebung einer Bloch-Wand über eine Störstelle

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.

Die magnetische Flussdichte in einem ferromagnetischen Stoff wird von der Stärke des umgebenden Magnetfeldes (H) bestimmt. Wird H genügend erhöht, steigt B wegen der Sättigung von B 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 H gänzlich auf Null gesenkt, geht B nicht auf Null zurück, sondern nur bis zur sogenannten Remanenz BR. Um den Stoff wieder zu entmagnetisieren, muss daher ein entgegengesetztes Magnetfeld mit der Koerzitivfeldstärke HC aufgebaut werden. Die vollständige Entmagnetisierung gelingt jedoch nicht in einem Schritt. Ein erneutes Umkehren der Feldstärke von H 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. 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 Hysteresiskurve.
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 von dem 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.

Das Integral unter der durchlaufenen Hysteresiskurvenfläche entspricht der Energie, die im Stoff bei seiner vollständigen Ummagnetisierung in Wärme umgewandelt wird. Bei elektromagnetischen Bauteilen machen sie sich als "Ummagnetisierungsverluste" 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 Hysteresisschleife kann man einen Stoff gezielt aufmagnetisieren. Dieses findet 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 dieses einer hohen Datensicherheit, da die geschriebenen Informationen nicht zufällig durch Streufelder umorientiert werden. Bei geringen Koerzitivfeldstärken spricht man von magnetisch weichem Material. Die Bezeichnungen rühren daher, dass reines (also weiches) Eisen im Vergleich zu magnetischen Stählen eher weichmagnetisch ist.

Praxisbezüge

Domänen

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 steigt in einem ausgedehnten Ferromagneten der magnetische Energieaufwand irgendwann über 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 Drehsinn der Magnetisierung in der Wand spricht man von Bloch-Wand oder Néel-Wand. 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. Diese Arbeit kann aus der Fläche der Hystereseschleife berechnet werden. Aufgrund der nicht kontinuierlich erfolgenden Ausrichtung der Weiss-Bezirke unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder können sog. Barkhausen-Sprünge beobachtet werden.

Anwendung

Ferromagnetische Werkstoffe weisen eine hohe Permeabilität mit μr >> 1 auf. Dadurch werden die magnetischen Feldlinien gut im Vergleich zum umgebenden Material (etwa Luft mit μr ≈ 1) geleitet. Dadurch finden ferromagnetische Werkstoffe etwa in Elektromagneten und Transformatoren Verwendung.



Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de
 
Seitenende
Seite zurück
©  biancahoegel.de;
Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 13.11. 2017