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Magnetisierung
Der Effekt der Magnetisierung ist grundsätzlich und ergibt sich, wenn ein Gegenstand einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Durch die Magnetisierung wird Material magnetisch, welches zuvor nicht magnetisch war. Eine starke Magnetisierung lässt sich nur mit ferromagnetischen Stoffen, also zum Beispiel Nickel, Eisen oder Kobalt, realisieren. Im Material selbst sorgt die parallele Ausrichtung aller Elementarmagnete für die Magnetisierung. Sie richten sich nach dem äußeren angesetzten Magnetfeld aus. Harte Schläge, entgegensetzt polarisierte Felder oder hohe Temperaturen können die Magnetisierung zerstören. Man spricht dann von einer Entmagnetisierung. Durch die Magnetisierung selbst entsteht innerhalb der Materie ein magnetisches Feld. Dieses überlagert sich mit dem äußeren Magnetfeld. Grundsätzlich werden Stoffe in drei verschiedenen Eigenschaften unterschieden: Diamagnetisch, ferromagnetisch und paramagnetisch.
Paramagnetismus, Diamagnetismus und Ferromagnetismus
Es ist dann von Paramagnetismus die Rede, wenn die Magnetisierung gleichgerichtet zum äußeren Magnetfeld ist. Bei ferromagnetischen Körpern ist dasselbe der Fall: Die Magnetisierung ist dem Magnetfeld außen hier auch gleichgerichtet. Im Gegensatz zum Paramagneten jedoch ist diese Ausrichtung viel stabiler. Der Grund dafür ist eine besondere Wechselwirkung namens Austauschwechselwirkung. Bei diamagnetischem Material wiederum ist die Magnetisierung entgegen dem äußeren Magnetfeld gerichtet. Besonders bei ferromagnetischen Stoffen wie beispielsweise Kobalt oder Eisen, ist eine starke Magnetisierung zu beobachten.
Experiment - Magnetisierung zuhause nachstellen
Für dieses Experiment wird ein Magnet und ein eisenhaltiger Gegenstand benötigt – zum Beispiel eine Schere oder eine Stecknadel, oder auch eine Gabel. Wenn der Magnet das entsprechende Objekt anzieht, handelt es sich um einen Gegenstand mit ferromagnetischen Anteilen bzw. Eigenschaften. Der eigentliche Start des Experiments beginnt damit, den eisenhaltigen Gegenstand dem Magnetfeld des Magneten auszusetzen. Das Magnetfeld sollte dabei konstant wirken und nicht wechseln. Nachdem der Magnet entfernt wurde, lässt sich nachweisen, dass der eisenhaltige Gegenstand, also beispielsweise die Schere oder Löffel, nun selbst magnetisch sind. Magnetisierte Stecknadeln beispielsweise bleiben an der Schere hängen. Diese verbleibende Magnetisierung nennt sich Remanenz.
Magnetische Permeabilität
Über die sogenannte magnetische Permeabilität μ wird die Magnetisierung M, welche sich wiederum innerhalb eines äußeren Magnetfelds einstellt, bestimmt.
Zum Verständnis dieser Formel ist es wichtig, die verschiedenen Wirkungen zu kennen. Vereinfacht vorgestellt gibt die Permeabilität μ an, wie stark sich beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes und dem Einfluss der Materie das Magnetfeld H ändert. Es gilt:
Die oben ersichtliche Formel (1) ergibt sich aus dem Grund, dass das Magnetfeld H die Summe aus der Magnetisierung des Körpers und dem äußeren Magnetfeld ist. Beispiel: Da die Permeabilität μ des Vakuums gleich 1 ist, ist auch die Magnetisierung M = 0. Die oben erwähnten unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich an der Permeabilität μ festmachen: Bei paramagnetischen Stoffen ist die Permeabilität μ etwas größer als 1, die Magnetisierung ist also positiv bzw. gleichgerichtet. Bei diamagnetischen Stoffen ist die Permeabilität μ kleiner als 1, die Magnetisierung also negativ und damit dem von außen einwirkenden Feld entgegengesetzt. Bei Supraleitern ist die Permeabilität μ gleich 0. Jetzt weiß man auch, warum Supraleiter schweben: Im Inneren des Supraleiters befindet sich kein Feld, da die Magnetisierung des Supraleiters dem äußeren Feld entgegen gerichtet und betragsmäßig gleich groß ist. Große Permeabilitätszahlen ergeben sich bei Ferromagneten: Die Permeabilität μ kann bei Eisen bis 10.000 gehen, bei besonderen Metallen, so genannten amorphen, sogar bis 150.000. Näherungsweise ist die Magnetisierung bei großem μ und einem äußeren Magnetfeld H also gleich dem Produkt aus μ und dem äußeren Magnetfeld:
Magnetisierung noch einmal genauer erklärt
Die Elektronen sind der Hauptgrund für den Magnetisierungseffekt. Um die nun folgenden Sätze zu verstehen, hilft es, sich im Kopf die atomare Anordnung eines Materials vorzustellen – also die Atome mit ihren Atomkernen und Elektronen.
Wie wir wissen, bewegen sich Elektronen in einem sich ändernden Magnetfeld oder driften bei Bewegung in einem konstanten Feld ab (Stichwort Lorentzkraft). Beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes werden durch die Bewegungen der Elektronen in den Atomhüllen Ströme interessiert. Dadurch wird der sogenannte Diamagnetismus verursacht. Es existiert eine so genannte Lenz‘sche Regel, die besagt, dass diese Ströme durch ihre Richtung der Ursache entgegenwirken. Jetzt erklärt sich auch, warum die Magnetisierung im Material dem äußeren Feld entgegen gerichtet ist.
Der Diamagnetismus des Stoffes kann durch stärkere Eigenschaften, wie beispielsweise Paramagnetismus oder Ferromagnetismus jedoch überlagert werden. Der Grund dafür ist der Elektronenspin eines jeden Elektrons. Dieser Spin besitzt magnetische Eigenschaften: Es handelt sich dabei um die Elementarmagnete im Material. Ein Spin besitzt also ein festes magnetisches Moment. Eine Überlagerung findet meistens dann statt, wenn die Anzahl der Elektronen ungerade ist. Dann nämlich können sich zwei entgegengesetzte Spins in der Gesamtheit nicht überlagern: Ein Spin bleibt übrig, welcher sich an dem äußeren Magnetfeld ausrichten kann. Die Magnetisierung ist dem äußeren Feld demnach entgegen gerichtet.
Ferromagneten stabilisieren diese Ausrichtung der Elektronenspins durch die oben erwähnte Austauschwechselwirkung. Demnach bleibt ein ferromagnetisches Material auch nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes signifikant magnetisch. Die Remanenz lässt sich nicht nur messen, sondern auch subjektiv sehr gut beobachten. Paramagnetisches Material - zum Beispiel geschmolzenes Aluminium - bzw. Paramagneten sind in dem Augenblick nicht mehr magnetisch, indem das äußere Magnetfeld entfernt wird. Hier lässt sich demnach keine Remanenz beobachten. Die oben erwähnte Entmagnetisierung durch Hitze, ein entgegengesetztes magnetisches Feld oder durch starke Stöße lässt sich darauf zurückführen, dass diese Effekte die Elektronenspins bzw. die ausgerichteten Elementarmagneten neu durchmischen. Speziell beim Erhitzen tritt eine Magnetisierung ab einer bestimmten Temperatur auf. Diese Temperaturschwelle wird Curie-Temperatur genannt.