Ferromagnetismus
Der Ferromagnetismus (lat.: ferrum Eisen; von griech.: magnetis (lithos) Stein aus Magnesien) ist ein kooperatives Phänomen von Festkörpern welches dadurch charakterisiert ist, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen. Ferromagnetische Festkörper bezeichnet man als Ferromagneten. Die Bereiche gleicher Magnetisierung werden "Domänen", "Weißsche Bezirke" oder gelegentlich auch Elementarmagnete genannt. Sie treten in Größen von 0,01mm bis 1mm auf und sind im unmagnetisierten Zustand (der Substanz) nicht einheitlich orientiert.
Die magnetische Ordnung wird bei hohen Temperaturen aufgebrochen, die Ferromagneten sind dann nur noch paramagnetisch. Die Temperatur, ab der die ferromagnetische Ordnung verschwindet, wird als Curie-Temperatur TC (nach Pierre Curie, dem Mann von Marie Curie) bezeichnet. Der Paramagnetismus bleibt für alle Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur erhalten, selbst nach Übergang des Festkörpers in Flüssigkeitsphase oder Gasphase.
Ferromagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur zeigen die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt. Bei tieferen Temperaturen werden auch die Lanthanoide Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Terbium ferromagnetisch. In der Praxis verwendet man häufig ferromagnetische Legierungen wie z.B. AlNiCo, SmCo, NdFeB ("Neofer"), NiMo ("Permalloy"), oder NiCuCo ("Mumetall"). Bemerkenswert ist, dass unter bestimmten Umständen auch einige Verbindungen im Allgemeinen nicht ferromagnetischer Elemente ferromagnetisches Verhalten aufweisen, beispielsweise Chromdioxid oder Europiumoxid.
| Substanz | TC [K] |
|---|---|
| Co | 1395 |
| Fe | 1033 |
| Ni | 627 |
| CrO2 | 390 |
| Gd | 289 |
| Dy | 85 |
| EuO | 70 |
| Ho | 20 |
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 energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die Austauschwechselwirkung. Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit des relativen Atomabstandes 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 Austauschwechselwirkung vermittelt, nicht durch magnetische Wechselwirkung!
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 oder Blochwand. 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 Weißschen Bezirke unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder können sog. Barkhausensprünge beobachtet werden.
siehe auch: Antiferromagnetismus, Ferrimagnetismus, Paramagnetismus, Diamagnetismus, Ferrofluid