Magnetisierung

Wird Materie einem Magnetfeld ausgesetzt, so kommt es grundsätzlich zu einer Magnetisierung. Durch die Magnetisierung entsteht in der Materie ein zusätzliches magnetisches Feld, welches sich mit dem äußeren Magnetfeld überlagert. Man unterscheidet Stoffe mit diamagnetischen, mit paramagnetischen und mit ferromagnetischen Eigenschaften.

Ist die Magnetisierung dem äußeren Magnetfeld gleichgerichtet, so spricht man von Paramagnetismus. In ferromagnetischen Körpern ist die Magnetisierung dem äußeren Magnetfeld ebenfalls gleichgerichtet, aber aufgrund einer besonderen Wechselwirkung, der sogenannten Austauschwechselwirkung, sehr viel stabiler als in einfachen Paramagneten.

In diamagnetischen Materialien ist die Magnetisierung dem äußeren Magnetfeld entgegengerichtet. Eine starke Magnetisierung ist besonders bei ferromagnetischen Stoffen (z. B. Eisen) beobachtbar. Dies kann man leicht in einem Experiment nachprüfen.

Experiment zur Magnetisierung von ferromagnetischen Stoffen

Wird ein eisenhaltiger Körper (z. B. eine Schere) dem starken Magnetfeld eines Magneten ausgesetzt, so beobachtet man, dass die Schere z. B. eisenhaltige Stecknadeln anziehen kann, obwohl der Magnet von der Schere bereits entfernt wurde. Diese verbleibende Magnetisierung wird als Remanenz bezeichnet.

Quantifizierung der Magnetisierung durch magnetische Permeabilität

Die Magnetisierung M, die sich bei einem bestimmten äußeren Magnetfeld einstellt, wird über die magnetische Permeabilität μ quantifiziert.

Vereinfacht dargestellt kann man sich vorstellen, dass die Permeabilität μ angibt, wie stark sich das Magnetfeld H durch den Einfluss der Materie verändert, wenn ein äußeres Magnetfeld H₀ anliegt. Dabei gilt: H=μ•H₀. Das Magnetfeld H wiederum ist die Summe aus dem von außen angelegten Magnetfeld H₀ und der Magnetisierung des Körpers M: H=H₀+M. Somit gilt für die Magnetisierung:

M=H-H₀=μ•H₀-H₀=(μ-1)•H₀
Die Permeabilität des Vakuums ist μ=1. Somit kann das Vakuum nicht magnetisiert werden. Die Magnetisierung M des Vakuums ist M=0.

Paramagnetische Stoffe haben eine Permeabilität, die etwas größer als 1 ist. Die Permeabilität diamagnetischer Stoffe ist etwas kleiner als 1. Dadurch ist die Magnetisierung negativ. Dies heißt, sie ist dem von außen einfallenden Feld H₀ entgegengerichtet. Bei einem Supraleiter ist die Permeabilität μ=0. Die Magnetisierung eines Supraleiters ist also dem äußeren Feld entgegengerichtet und vom Betrag genauso groß wie das äußere Feld. Dadurch ist das Innere des Supraleiters feldfrei und der Supraleiter schwebt im Magnetfeld.

Ferromagneten können sehr große Permeabilitätszahlen haben. Bei Eisen kann μ Werte bis 10 000 erreichen, besondere ferromagnetische, sogenannte amorphe Metalle, erreichen Werte von μ = 150 000. Bei so großen Permeabilitäten ist die Magnetisierung in einem äußeren Magnetfeld H₀ näherungsweise M ≈ μ•H₀.

Physikalische Ursache für Magnetisierung

Zum Verständnis der physikalischen Ursache für Magnetisierung kann man sich vorstellen, dass jeder Stoff aus Atomen mit Atomkernen und Elektronen besteht. Für die Magnetisierungseffekte sind vor allem die Elektronen verantwortlich.

Wird ein äußeres Magnetfeld angelegt, so werden unter dem Einfluss dieses Magnetfeldes Bewegungen der Elektronen, also Ströme, induziert. Dies verursacht den Diamagnetismus (siehe Abbildung). Nach der Lenzschen Regel sind diese Ströme so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirken. Im Stoff ist deshalb die Magnetisierung dem äußeren Feld entgegengerichtet. Es kann jedoch sein, dass zusätzliche paramagnetische oder ferromagnetische Eigenschaften den Diamagnetismus des Stoffs überlagern. Die Elektronen besitzen nämlich einen sogenannten Elektronenspin, welcher magnetische Eigenschaften besitzt. Die Elektronenspins bilden Elementarmagnete im Material. Der Spin besitzt ein festes magnetisches Moment. Wenn nicht an jedem einzelnen Atom alle Elektronenspins von jeweils einem Elektron mit entgegengesetztem Spin kompensiert werden (meist in Materialien mit einer geraden Anzahl von Elektronen pro Atom), dann können die magnetischen Momente dieser Spins sich im äußeren Magnetfeld ausrichten. In diesem Fall verhält sich die Probe selbst wie ein Magnet. Die Magnetisierung ist dem äußeren Feld gleichgerichtet.

Von einem Ferromagneten spricht man dann, wenn es zu einer Stabilisierung der Ausrichtung der atomaren Spins kommt. Dies wird durch die Austauschwechselwirkung verursacht. Jeder der winzigen Elementarmagnete wird in seiner Ausrichtung stabilisiert. Der Körper bleibt dann auch als Ganzes merklich magnetisch, wenn das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird und man beobachtet Remanenz. Bei Paramagneten verschwindet dagegen die Magnetisierung sofort, wenn das äußere Feld ausgeschaltet wird.

Eine Entmagnetisierung eines magnetisierten ferromagnetischen Körpers kann erreicht werden, wenn die ausgerichteten Elektronenspins erneut durchmischt werden.

Dies kann durch Hitze (Erwärmung über die sogenannte Curie-Temperatur), durch starke Stöße oder durch ein magnetisches Feld mit umgekehrter Polarisation erreicht werden.