Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus

Diagramm zur Unterscheidung Ferro-/Para-/Diamagnetismus

Ob ein Material ferromagnetisch, paramagnetisch oder diamagnetisch ist, lässt sich mit folgendem Diagramm schnell bestimmen.

Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus: Ausprägungsformen der Magnetisierung

Wird ein Material einem äusseren Magnetfeld ausgesetzt, so kommt es zu einer Magnetisierung des Materials. Die Richtung und Stärke dieser Magnetisierung beruht auf intrinsischen Eigenschaften des Materials und wird durch die Begriffe Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus gekennzeichnet. Es sind weitere Arten des Magnetismus (z. B. Ferrimagnetismus) bekannt, auf die hier jedoch nicht näher eingegangen wird.

Die Magnetisierung von Materie in einem äusseren Feld, also die Ausrichtung der Elementarmagnete im Material, kann dem äusseren Magnetfeld entgegengerichtet oder gleichgerichtet sein. Ist die Magnetisierung dem äusseren Feld entgegengerichtet, so spricht man von Diamagnetismus. In paramagnetischen Körpern ist die Magnetisierung dem äusseren Magnetfeld gleichgerichtet. In ferromagnetischen Materialien ist die Magnetisierung dem äusseren Magnetfeld gleichgerichtet und aufgrund einer besonderen Wechselwirkung der Elektronenspins, der sogenannten Austauschwechselwirkung, besonders stark. Die Magnetisierung ferromagnetischer Stoffe ist bei gleichem äusserem Magnetfeld im Allgemeinen deutlich grösser als die Magnetisierung paramagnetischer Stoffe. Bei Raumtemperatur sind jedoch nur die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt ferromagnetisch. Daneben gibt es noch ferromagnetische Legierungen und Verbindungen sowie Elemente, die bei tiefen Temperaturen ferromagnetisch werden. Bei sehr hohen Temperaturen werden alle ferromagnetischen Stoffe paramagnetisch, weil dann die thermische Energie der Elektronen grösser ist als die Austauschwechselwirkung und die parallele Ausrichtung der Elektronenspins zerstört wird. Es gibt für diesen Übergang eine charakteristische Temperatur, die sogenannte Curie-Temperatur.

Die Magnetisierung ferromagnetischer Stoffe bleibt teilweise erhalten, wenn das äussere Magnetfeld abgeschaltet wird. Diese verbleibende Magnetisierung wird als Remanenz bezeichnet.

Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus beobachten

Im Gegensatz zum Diamagnetismus und Paramagnetismus ist Ferromagnetismus im täglichen Leben leicht beobachtbar. Ferromagnetische Stoffe werden von Magnetfeldern merklich stark angezogen. So bleibt ein Magnet an einer Eisenwand haften, welche ferromagnetisch ist, nicht jedoch an einer Wand aus Kunststoff, welche meist diamagnetisch ist.

Die Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und paramagnetischen bzw. diamagnetischen Stoffen ist sehr schwach, sodass sie im täglichen Leben nicht direkt beobachtbar ist.

Ein Paramagnet (z. B. Sauerstoff) wird wie ein Ferromagnet (z. B. Eisen) von einem Magnetfeld angezogen. Nur ist die Anziehungskraft einige Millionen Mal schwächer. Ein Diamagnet (z. B. Wasser) wird dagegen abgestossen, wenn er ins Magnetfeld eingebracht wird, allerdings ebenfalls fast unmerklich schwach. Die abstossende Kraft zwischen Magnetfeldern und diamagnetischen Stoffen ist nur bei Supraleitern stark. Supraleiter werden deshalb auch als "perfekte Diamagnete" bezeichnet. Sie zeigen eine Magnetisierung, welche die magnetische Flussdichte im Innenraum des Supraleiters komplett verdrängt. Der Supraleiter schwebt aufgrund der abstossenden diamagnetischen Wirkung sogar über einem Magneten.

Magnetische Permeabilität zur Beschreibung der Stärke der Magnetisierung

Zur Beschreibung der Stärke der Magnetisierung wird die magnetische Permeabilität μ eingeführt. Vereinfacht dargestellt kann man sich vorstellen, dass die Permeabilität μ angibt, um welchen Faktor die magnetische Flussdichte durch den Einfluss des Materials vergrössert bzw. verkleinert wird. So ist die magnetische Flussdichte B in Anwesenheit eines Stoffs mit der Permeabilität μ im Gegensatz zur magnetischen Flussdichte des Vakuums B₀:

B = μ • B₀

Das Magnetfeld wiederum ist die Summe aus dem äusseren einfallenden Magnetfeld H₀ (welches ebenfalls im Vakuum vorliegen würde) und der Magnetisierung M: H = H₀ + M

Dieses Magnetfeld in Anwesenheit des Stoffs erhält man ebenfalls durch Multiplikation des Vakuumfeldes mit der Permeabilität μ: H= μ • H₀

Somit gilt für die Magnetisierung:

M = H - H₀ = μ • H₀ - H₀ = (μ - 1) • H₀

Die Magnetisierung M eines Stoffs bei einem einfallenden (Vakuum-) Magnetfeld H₀ ist also:

M = (μ - 1) • H₀

Man nennt den Faktor (μ - 1) auch die magnetische Suszeptibilität χ und es folgt: M = χ • H₀

Die Permeabilität des Vakuums ist μ = 1. Somit reagiert das Vakuum gar nicht auf ein Magnetfeld. Die Magnetisierung M des Vakuums ist Null. Ebenso seine magnetische Suszeptibilität χ. Paramagnetische Stoffe haben eine Permeabilität, welche etwas grösser als 1 ist. Die magnetische Suszeptibilität der Paramagnete ist etwas grösser als Null. Die Permeabilität diamagnetischer Stoffe ist etwas kleiner als 1, die Suszeptibilität entsprechend kleiner als Null. Bei einem Supraleiter ist die magnetische Permeabilität μ = 0 und die Suszeptibilität χ = -1. Somit dringt der magnetische Fluss gar nicht mehr in den Supraleiter ein. Man kann sich auch vorstellen, dass bei Supraleitern die Magnetisierung gleich dem äusseren einfallenden Feld ist, nur entgegengerichtet. Deshalb wird das äussere Feld im Supraleiter kompensiert. Ferromagnete können sehr grosse Permeabilitätszahlen haben. Bei Eisen kann μ Werte bis 10'000 erreichen, besondere ferromagnetische Metalle mit einer besonders erzeugten Anordnung der Atome, erreichen Werte bis μ = 150'000.

Die Annahme, dass die Permeabilität einfach eine Konstante für jeden Stoff ist, ist jedoch nur eine Näherung. Dies kann man an der Hysteresekurve sehen. In Wirklichkeit folgt die Magnetisierung des Materials nicht linear dem einfallenden Magnetfeld (bzw. der einfallenden Flussdichte). Der Zusammenhang ist komplizierter und ausserdem noch von der "Vorgeschichte" des Stoffs abhängig. Ist der Stoff bereits magnetisiert, so verhält er sich im äusseren Feld anders, als das gleiche, jedoch nicht magnetisierte Material. Die lineare Formel M = χ • H₀ ist deshalb eine Näherung.

Physikalische Betrachtung

Zum Verständnis der physikalischen Ursache für Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus kann man sich vorstellen, dass jeder Stoff aus Atomen mit Atomkernen und Elektronen besteht.

Wird nun ein äusseres Magnetfeld angelegt, so werden unter dem Einfluss dieses Magnetfeldes Bewegungen der Elektronen, also Ströme, induziert. Nach der Lenzschen Regel sind diese Ströme so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirken. Deshalb sind die induzierten magnetischen Momente, man spricht auch von induzierter magnetischer Polarisation, so ausgerichtet, dass der Stoff als Ganzes schwach aus dem äusseren Magnetfeld herausgedrängt wird, also diamagnetische Eigenschaften zeigt.

Jeder Stoff ist ein bisschen diamagnetisch. Es kann jedoch sein, dass zusätzliche paramagnetische oder sogar ferromagnetische Eigenschaften den Diamagnetismus eines Stoffs überlagern. Zu Para- bzw. Ferromagnetismus kommt es genau dann, wenn die Elektronen der gesamten Elektronenhülle an jedem Atom des Stoffs einen resultierenden Gesamtspin besitzen. Einzelne Elektronen besitzen immer einen sogenannten "Spin", welcher ein magnetisches Moment trägt. In vielen Materialien heben sich die Elektronenspins jedoch paarweise auf. Diese Materialien sind dann diamagnetisch. Wenn jedoch jedes Atom eine ungerade Anzahl an Elektronen besitzt, dann können sich die Elektronenspins in jedem einzelnen Atom nicht paarweise aufheben. Dann besitzt jedes Atom mit seinen Elektronen einen resultierenden Gesamtspin des letzten verbleibenden "ungepaarten" Elektrons. Diese Materialien sind para- oder ferromagnetisch.

Die atomaren magnetischen Momente der resultierenden Spins sind durch die Bewegung der Atome gleichmässig in alle Raumrichtungen verteilt, sodass die Magnetfelder aller Elementarmagnete zusammengenommen sich gegenseitig kompensieren und der Stoff nach aussen nichtmagnetisch erscheint.

Die resultierenden Gesamtspins aller Atome richten sich aber in einem äusseren Magnetfeld aus. Der Nordpol aller Elementarmagnete zeigt dann in Richtung des Südpols des äusseren Feldes und umgekehrt. In diesem Fall verhält sich die Probe selbst wie ein Magnet und wird vom äusseren Magnetfeld angezogen. Die gleichzeitig induzierten Kreisströme, welche aufgrund der Lenzschen Regel ihrer Ursache (dem äusseren Magnetfeld) entgegengerichtet sind, sind in paramagnetischen und ferromagnetischen Stoffen schwächer als der Effekt der ausgerichteten Elementarmagnete, sodass die abstossende Wirkung der induzierten Kreisströme von der anziehenden Wirkung der ausgerichteten Elementarmagnete übertroffen wird. Dies ist die Ursache für Para- und Ferromagnetismus.

In einem Ferromagneten kommt es zu einer Stabilisierung der Elektronenspins durch die Austauschwechselwirkung. Die Austauschwechselwirkung ist in Ferromagneten besonders stark. Jeder Elementarmagnet wird dann in seiner Ausrichtung zusätzlich stabilisiert. Dies führt zu einer oft millionenfach stärker anziehenden Wirkung. Das Material bleibt deshalb sogar als Ganzes merklich magnetisch, wenn das äussere Magnetfeld abgeschaltet wird (Remanenz). In Paramagneten ist die Austauschwechselwirkung kleiner als die thermische Energie der atomaren Spins.

Entmagnetisierung durch Hitze

Wenn der magnetisierte Ferromagnet stark erhitzt wird (über die Curie-Temperatur hinaus), dann verschwindet der Ferromagnetismus, weil die Temperaturerhöhung zu einer stärkeren Bewegung der Atome mit den einzelnen resultierenden Gesamtspins der Elektronenhülle führt. Diese Bewegung zerstört die gegenseitige Kopplung der Elektronenspins durch die Austauschwechselwirkung, weil die zugeführte thermische Energie die Kopplungsenergie der Elektronenspins übersteigt. Der Körper wird dann oberhalb der Curie-Temperatur zu einem Paramagneten. Auch starke Erschütterung oder ein entgegengesetztes äusseres Feld können die Remanenz eines Ferromagneten aufheben, also zur Entmagnetisierung führen. Der Stoff bleibt dann jedoch ferromagnetisch und könnte erneut magnetisiert werden. Auch ein erhitzter Stoff wird wieder ferromagnetisch, wenn er unter die Curie-Temperatur abkühlt.