Elementarmagnet

Die magnetischen Eigenschaften der Materie, also Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus, werden durch Elementarmagnete erklärt, die an jedem Atom eines para- und ferromagnetischen Festkörpers zu finden sind (siehe Abbildung unten). Dabei handelt es sich überwiegend um Elektronenspins oder Kernspins, die als Atomare Spins eine magnetische Wirkung wie kleine Elementarmagnete besitzen. Derartige Elementarmagnete werden in der Physik als magnetische Momente bezeichnet.

Ausrichtung von Elementarmagneten

Die magnetischen Kräfte von Permanentmagneten werden darüber erklärt, dass die Elementarmagnete an den einzelnen Atomen des Materials parallel ausgerichtet sind. Tatsächlich findet man diese parallele Ausrichtung der Atomaren Spins in ferromagnetischen Stoffen, wenngleich nicht unbedingt im gesamten Material, so doch in den sogenannten Weißschen Bezirken. Man kann diese Ausrichtung sogar im Experiment sichtbar machen.

Die ausgerichteten magnetischen Momente der Elementarmagnete ermöglichen genau dann eine dauerhafte Magnetisierung, wenn die Kräfte, welche die parallele Ausrichtung der Elementarmagnete stabilisieren, groß genug sind. Die wichtigste Kraft hierbei ist die Austauschwechselwirkung der Elektronenspins. Sie führt in den Ferromagneten dazu, dass ausgerichtete Atomare Spins sich nicht wieder durch thermische Bewegung durchmischen können und deshalb eine dauerhafte Magnetisierung verbleibt.

Die Ausrichtung der Elementarmagnete kann aber durch Zuführen von thermischer Energie, also durch starkes Erhitzen, zerstört werden. Weitere Möglichkeiten der Entmagnetisierung sind starke Schläge auf den Magneten oder das Anlegen eines äußeren entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldes. Dann nämlich durchmischen sich die einzelnen Elementarmagnete wieder und das außerhalb des Materials messbare Feld verschwindet.

Ein gutes Bild zur Wirkung von ausgerichteten Elementarmagneten kann man durch ein Set von magnetischen Kompassnadeln gewinnen, welche drehbar auf einer Platte angeordnet sind. Die Kompassnadeln ordnen sich aufgrund der gegenseitigen Wechselwirkung in gewissen Bereichen parallel an. Ähnlich zu den Weißschen Bezirken im nicht magnetisierten Ferromagneten. Wenn man von außen mit einem Permanentmagneten über die Platte streicht, so vereinigen sich verschiedene Weißsche Bezirke indem sich die Kompaßnadeln alle untereinander parallel anordnen. Dies passiert auch mit den Elementarmagneten in ferromagnetischen und paramagnetischen Materialien, wenn diese in ein äußeres Magnetfeld eingebracht werden. Der Unterschied des Paramagneten im Vergleich zum Ferromagneten besteht darin, dass die Ausrichtung der Elementarmagnete im Paramagneten nicht stabil ist, im Ferromagneten dagegen schon. Diamagnete besitzen gar keine Elementarmagnete, die ausgerichtet werden könnten.

Die meisten Elektromagnete besitzen einen ferromagnetischen Eisenkern, dessen Elementarmagnete durch das magnetische Feld des Elektromagneten ausgerichtet werden und es um ein Vielfaches verstärken.