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Grundwissen

Ferromagnetismus

Das Wichtigste auf einen Blick

  • In ferromagnetischen Stoffen gibt es sog. WEISSsche Bezirke.
  • Ist das Material unmagnetisiert, so sind die WEISSschen Bezirke regellos ausgerichtet.
  • In einem äußeren Magnetfeld richten sich die WEISSschen Bezirke parallel zum äußeren Feld aus und verstärken dieses. 

Wir kennen bis jetzt zwei scheinbar grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten Magnetfelder zu erzeugen:

  • Einsatz von Permanentmagneten
  • Verwendung stromdurchflossener Leiter

Konzentriert man seine Betrachtungen auf den atomaren Bereich, so stellt man fest, dass der Permanentmagnetismus vom Prinzip her durch atomare Ströme verständlich wird (dies hatte schon Ampère vermutet).

Permanentmagnetismus durch atomare Ströme

Abb. 1 Atomare Begründung des Modells der Elementarmagnete

Elektrischer Strom ist die Bewegung von geladenen Teilchen. Somit stellen die im Atom sich bewegenden Elektronen (eine Vorstellung aus den frühen Atommodellen) einen - zwar sehr kleinen - Strom dar, durch den ein sehr schwaches Magnetfeld erzeugt wird (ein weiterer Beitrag zum Magnetfeld erfolgt durch den sogenannten Spin des Elektrons. Sie können sich vorläufig eine Eigenrotation des Elektrons vorstellen).

In manchen Atomen löschen sich die "magnetischen Effekte" der vorhandenen Elektronen gegenseitig aus, in anderen Atomsorten dagegen kommt es zur Verstärkung der magnetischen Effekte der Einzelelektronen, so dass jedes Atom als kleiner schwacher Magnet aufgefasst werden kann.

WEISSsche Bezirke

In ferromagnetischen Materialien (Eisen, Kobalt, Nickel und bestimmten Legierungen) ist Magnetisierungsrichtung der Atome in bestimmten Bereichen gleichartig. Man bezeichnet solche Bereiche als "magnetische Domänen" oder auch als "WEISSsche Bezirke" benannt nach dem französischen Physiker Pierre-Ernest Weiss (1865–1940)..

Die Magnetisierungsrichtung in den WEISSschen Bezirken wird wesentlich durch die Struktur des jeweiligen Kristalls bestimmt.

Verstärkung der magnetischen Wirkung durch ferromagnetisches Material

Versuche mit Elektromagneten zeigen, dass die magnetische Wirkung einer stromdurchflossenen Spule wesentlich verstärkt wird, wenn sich im Spuleninneren ferromagnetisches Material wie Weicheisen befindet. Die folgenden Skizzen in Abb. 2 liefern hierfür eine plausible Erklärung auf Basis der WEISSschen Bezirke:

Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 WEISSsche Bezirke als kleine Stabmagnete ohne bzw. mit Vorzugsrichtung

Im oberen Bild ist ein nach außen hin nichtmagnetisches ferromagnetisches Material dargestellt. Die Magnetisierungsrichtung der WEISSschen Bezirke (symbolisiert durch kleine Stabmagnete) hängt von der Kristallstruktur des Materials ab. Sind z.B. die Magnetisierungsrichtungen längs der Kristallkanten vorgegeben, so ist das Material unmagnetisch, wenn es etwa gleich viel Magnetisierungsrichtungen nach oben und nach unten, nach rechts und nach links, nach vorne und nach hinten gibt.

Bringt man nun die unmagnetische Probe in ein äußeres Magnetfeld (unteres Bild), so richten sich die WEISSschen Bezirke mit ihrer Magnetisierungsrichtung - stark vereinfacht dargestellt - in Richtung des äußeren Feldes aus (siehe Modellversuch).

Das Gesamtfeld setzt sich nun aus dem äußeren Feld und dem gleichgerichteten Feld der WEISSschen Bezirke zusammen. Daher die Verstärkung des Magnetfeldes durch Ferromagnetika.

Magnetisch harte und magnetisch weiche Materialien

Schaltet man nun das äußere Magnetfeld wieder ab, so kann man zwei Extremfälle unterscheiden:

  • Ist das ferromagnetische Material z.B. Stahl, so bleiben die atomaren Magnete ausgerichtet, obwohl das äußere Feld nicht mehr vorhanden ist. Solche "magnetisch harten" Materialen benutzt man zum Aufbau von Permanentmagneten.

  • Ist das ferromagnetische Material z.B. Weicheisen, so verliert die Probe beim Abschalten des äußeren Feldes weitgehend den Magnetismus, da sich die weißschen Bezirke wieder beliebig in die durch den Kristall vorgegebenen Richtungen einstellen. Solche "magnetisch weichen" Materialien benutzt man z.B. für Elektromagneten, die mit Wechselstrom betrieben werden.