Ferromagnetismus, physikalisches Phänomen, bei dem bestimmte elektrisch ungeladene Materialien andere stark anziehen. Zwei Materialien, die in der Natur vorkommen, Lodestone (oder Magnetit, ein Oxid aus Eisen, Fe3O4) und Eisen, haben die Fähigkeit, solche attraktiven Kräfte zu erlangen, und sie werden oft als natürliche Ferromagnete bezeichnet. Sie wurden vor mehr als 2.000 Jahren entdeckt, und alle frühen wissenschaftlichen Studien zum Magnetismus wurden an diesen Materialien durchgeführt. Heute werden ferromagnetische Materialien in einer Vielzahl von Geräten verwendet, die für den Alltag unerlässlich sind-z.,, elektromotoren und Generatoren, Transformatoren, Telefone und Lautsprecher.
Ferromagnetismus ist eine Art Magnetismus, der mit Eisen, Kobalt, Nickel und einigen Legierungen oder Verbindungen verbunden ist, die eines oder mehrere dieser Elemente enthalten., Es kommt auch in Gadolinium und einigen anderen Seltenerdelementen vor. Im Gegensatz zu anderen Substanzen werden ferromagnetische Materialien leicht magnetisiert, und in starken Magnetfeldern nähert sich die Magnetisierung einer bestimmten Grenze, die Sättigung genannt wird. Wenn ein Feld angelegt und dann entfernt wird, kehrt die Magnetisierung nicht auf ihren ursprünglichen Wert zurück—dieses Phänomen wird als Hysterese (q. v.) bezeichnet. Bei Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur genannt Curie-Punkt (q. V.,), die für jede Substanz unterschiedlich ist, verlieren ferromagnetische Materialien ihre charakteristischen Eigenschaften und hören auf, magnetisch zu sein; Sie werden jedoch beim Abkühlen wieder ferromagnetisch.
Der Magnetismus in ferromagnetischen Materialien wird durch die Ausrichtungsmuster ihrer Atome verursacht, die als elementare Elektromagnete wirken. Ferromagnetismus wird durch das Konzept erklärt, dass einige Arten von Atomen ein magnetisches Moment besitzen—das heißt, dass ein solches Atom selbst ein elementarer Elektromagnet ist, der durch die Bewegung von Elektronen um seinen Kern und durch den Spin seiner Elektronen auf ihren eigenen Achsen erzeugt wird., Unterhalb des Curie-Punktes richten sich Atome, die sich in ferromagnetischen Materialien als winzige Magnete verhalten, spontan aus. Sie werden in die gleiche Richtung ausgerichtet, so dass sich ihre Magnetfelder gegenseitig verstärken.
Eine Anforderung an ein ferromagnetisches Material ist, dass seine Atome oder Ionen permanente magnetische Momente haben. Das magnetische Moment eines Atoms kommt von seinen Elektronen, da der nukleare Beitrag vernachlässigbar ist. Eine weitere Voraussetzung für den Ferromagnetismus ist eine Art interatomare Kraft, die die magnetischen Momente vieler Atome parallel zueinander hält., Ohne eine solche Kraft wären die Atome durch thermische Bewegung gestört, die Momente benachbarter Atome würden sich gegenseitig neutralisieren, und das für ferromagnetische Materialien charakteristische große magnetische Moment würde nicht existieren.
Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass einige Atome oder Ionen ein permanentes magnetisches Moment haben, das als Dipol dargestellt werden kann, der aus einem positiven oder Nordpol besteht, der von einem negativen oder Südpol getrennt ist., Bei Ferromagneten führt die große Kopplung zwischen den atomaren magnetischen Momenten zu einem gewissen Grad der Dipolausrichtung und damit zu einer Netzmagnetisierung.
Der französische Physiker Pierre-Ernest Weiss postulierte eine groß angelegte Art magnetischer Ordnung für Ferromagnete, die als Domänenstruktur bezeichnet wird. Nach seiner Theorie besteht ein ferromagnetischer Feststoff aus einer großen Anzahl kleiner Regionen oder Domänen, in denen jeweils alle atomaren oder ionischen magnetischen Momente ausgerichtet sind., Wenn die resultierenden Momente dieser Domänen zufällig ausgerichtet sind, zeigt das Objekt als Ganzes keinen Magnetismus an, aber ein extern angelegtes Magnetisierungsfeld dreht sich abhängig von seiner Stärke nacheinander der Domänen in Ausrichtung mit dem äußeren Feld und bewirkt, dass ausgerichtete Domänen auf Kosten nicht ausgerichteter Domänen wachsen. In dem limitierenden Zustand namens Sättigung umfasst das gesamte Objekt eine einzelne Domäne.
Domänenstruktur kann direkt beobachtet werden., Bei einer Technik wird eine kolloidale Lösung kleiner magnetischer Partikel, üblicherweise Magnetit, auf die Oberfläche eines Ferromagneten gelegt. Wenn Oberflächenpole vorhanden sind, neigen die Partikel dazu, sich in bestimmten Regionen zu konzentrieren, um ein Muster zu bilden, das mit einem optischen Mikroskop leicht beobachtet werden kann. Domänenmuster wurden auch mit polarisiertem Licht, polarisierten Neutronen, Elektronenstrahlen und Röntgenstrahlen beobachtet.
Bei vielen Ferromagneten sind die Dipolmomente durch die starke Kopplung parallel ausgerichtet., Dies ist die magnetische Anordnung, die für die Elementmetalle Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Kobalt (Co) und für ihre Legierungen untereinander und mit einigen anderen Elementen gefunden wird. Diese Materialien bilden immer noch die größte Gruppe der üblicherweise verwendeten Ferromagnete. Die anderen Elemente, die eine kollineare Ordnung besitzen, sind die Seltenerdmetalle Gadolinium (Gd), Terbium (Tb) und Dysprosium (Dy), aber die letzten beiden werden Ferromagnete nur weit unter Raumtemperatur. Einige Legierungen, obwohl sie nicht aus einem der gerade genannten Elemente bestehen, weisen dennoch eine parallele Momentenanordnung auf., Ein Beispiel hierfür ist die Heusler-Legierung CuAlMn3, bei der die Mangan (Mn) – Atome magnetische Momente aufweisen, obwohl Manganmetall selbst nicht ferromagnetisch ist.
Seit 1950 und insbesondere seit 1960 wurden mehrere ionisch gebundene Verbindungen als ferromagnetisch entdeckt. Einige dieser Verbindungen sind elektrische Isolatoren; andere haben eine für Halbleiter typische Leitfähigkeit von Größen. Solche Verbindungen umfassen Chalkogenide (Verbindungen von Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur), Halogenide (Verbindungen von Fluor, Chlor, Brom oder Jod) und deren Kombinationen., Die Ionen mit permanenten Dipolmomenten in diesen Materialien sind Mangan, Chrom (Cr) und Europium (Eu); die anderen sind diamagnetisch. Bei niedrigen Temperaturen weisen die Seltenerdmetalle Holmium (Ho) und Erbium (Er) eine beispiellose Momentenanordnung auf, die zu einer erheblichen spontanen Magnetisierung führt. Einige ionische Verbindungen mit der Spinellkristallstruktur besitzen auch ferromagnetische Eigenschaften. Eine andere Struktur führt zu einer spontanen Magnetisierung in Thulium (Tm) unterhalb von 32 Kelvin (K).,
Oberhalb des Curie-Punktes (auch Curie-Temperatur genannt) verschwindet die spontane Magnetisierung des ferromagnetischen Materials und es wird paramagnetisch (d. H. Es bleibt schwach magnetisch). Dies geschieht, weil die Wärmeenergie ausreicht, um die inneren Ausrichtkräfte des Materials zu überwinden. Die Curie-Temperaturen für einige wichtige ferromagneten sind: Eisen, 1,043 K; Kobalt 1,394 K; nickel, 631 K; und gadolinium, 293 K.