Die Entstehung von Magnetfeldern lässt sich in zwei Hauptaspekte unterteilen: die elektromagnetische Induktion (EMI) und die Spin-induzierte Induktion der Elementarteilchen der Materie. Der erste Aspekt ist die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms, mit der wir vertrauter sind: Fließt Strom durch einen Leiter, erzeugt die gerichtete Bewegung freier Elektronen ein Magnetfeld. Der zweite Aspekt ist das Magnetfeld, das von der Materie selbst erzeugt wird und das Thema unserer heutigen Diskussion sein wird.
Alles auf der Welt besitzt Magnetismus. Von den kleinen Tischen und Stühlen um uns herum bis hin zu den Planeten und der Sonne im Universum – alles ist magnetisch, unabhängig von seinem Aggregatzustand (kristallin, amorph, flüssig oder gasförmig), seiner Temperatur oder seinem Druck. Der Unterschied liegt in der Stärke des Magnetismus; manche Stoffe sind stark, andere schwach magnetisch. Man kann sagen, dass es keinen Stoff ohne Magnetismus gibt.
Materie lässt sich anhand ihrer Eigenschaften in einem externen Magnetfeld in fünf Kategorien einteilen: paramagnetisch, diamagnetisch, ferromagnetisch, ferrimagnetisch und antiferromagnetisch. Was bewirkt den Magnetismus von Materie? Und wodurch unterscheiden sich verschiedene Substanzen in ihren Eigenschaften? Um dies zu verstehen, müssen wir mit dem Fundament der Materie beginnen – dem Atom.
Materie besteht aus Atomen, und Atome bestehen aus einem Atomkern und Elektronen. In einem Atom besitzen die Elektronen aufgrund ihrer Bahnbewegung um den Atomkern ein Bahnmoment; zusätzlich besitzen sie aufgrund ihres Spins ein Spinmoment. Das magnetische Moment eines Atoms entsteht primär durch das Bahnmoment und das Spinmoment der Elektronen, welche die Ursache für den Magnetismus in aller Materie sind. (Das magnetische Moment des Atomkerns beträgt nur 1/1836,5 des magnetischen Moments des Elektrons, daher wird das Kernmoment im Allgemeinen vernachlässigt.)
Magnetisches Moment eines einzelnen isolierten Atoms
Ein magnetisches Moment ist ein Richtungsvektor. Die Elektronen in einem Atom besitzen zwei Spinrichtungen: nach oben und nach unten. In den meisten Stoffen ist die Anzahl der Elektronen mit Spin nach oben und nach unten gleich, und ihre magnetischen Momente heben sich gegenseitig auf, sodass das Atom keinen äußeren Magnetismus aufweist. Nur in wenigen Stoffen gibt es Elektronen mit unterschiedlichen Spinrichtungen innerhalb des Atoms. In diesem Fall heben sich nach der Aufhebung der magnetischen Momente der Elektronen mit entgegengesetztem Spin auch die verbleibenden magnetischen Momente einiger Elektronen auf, sodass ein Gesamtmagnetmoment für das gesamte Atom entsteht. Das magnetische Moment eines einzelnen Atoms hängt von seiner Atomstruktur ab, insbesondere von der Anordnung und Anzahl der Elektronen. Atome aller Elemente im Periodensystem besitzen ein eigenes magnetisches Moment.
Magnetisches Moment von Atomen in Kristallen
Die obige Diskussion bezieht sich auf das magnetische Moment eines einzelnen Atoms. In Festkörperkristallen oder amorphen Festkörpern befinden sich die Atome jedoch an Kristallknoten. Diese Atome werden vom elektrischen Feld der Atomkerne und dem elektrostatischen Feld benachbarter Atome beeinflusst. Daher unterscheidet sich das magnetische Moment von Atomen in Kristallen von dem eines einzelnen isolierten Atoms. Eisen, Kobalt und Nickel werden beispielsweise als 3d-Übergangsmetalle bezeichnet. In Kristallen werden einige Elektronen bestimmter Atome zu geteilten Elektronen benachbarter Atome, wodurch sich die Elektronenstruktur der Atome verändert. Einige Orbitalmomente werden eingefroren, sodass nur noch das Spinmoment zum atomaren magnetischen Moment im Kristall beiträgt. Dies führt zu einer Differenz zwischen dem tatsächlichen magnetischen Moment der Atome im Kristall und dem theoretischen Wert.
Magnetisches Moment makroskopischer Materie
Wie wir aus dem Vorangegangenen wissen, besitzt alles im Universum Magnetismus, der primär auf atomarem Magnetismus beruht. Da verschiedene Atome unterschiedliche magnetische Momente besitzen, treten Wechselwirkungen zwischen den atomaren magnetischen Momenten in makroskopischer Materie auf. Die Anordnung der atomaren magnetischen Momente bei Raumtemperatur ist unterschiedlich. Basierend auf den magnetischen Eigenschaften makroskopischer Materie klassifizieren wir diese in paramagnetische, diamagnetische, ferromagnetische, ferrimagnetische und antiferromagnetische Materialien. Zu diesen Eigenschaften gehören die folgenden drei:
1. Magnetisierung M
Der makroskopische Magnetismus eines Stoffes wird durch die magnetischen Momente seiner Atome oder Moleküle bestimmt. Das gesamte magnetische Moment pro Volumeneinheit eines Materials wird als seine Magnetisierung bezeichnet und mit M in A/m³ angegeben.
1. Sei das Volumen einer Substanz V und sie enthalte n Atome. Das magnetische Moment jedes Atoms sei μJ. Dann gilt: M = μJ₁ + μJ₂ + … + μJₙ, oder M = ΣμJ/V.
2. Magnetisierungskurve (M-H-Kurve)
Bei einem externen Magnetfeld von null können die atomaren magnetischen Momente zufällig angeordnet sein. Wird jedoch ein externes Magnetfeld angelegt, richten sich die atomaren magnetischen Momente unter dessen Einfluss entlang der Feldrichtung aus. Dabei ändert sich die Magnetisierung M des Stoffes. Die Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Magnetisierung M und dem externen Magnetfeld H darstellt, wird als Magnetisierungskurve bezeichnet (abgekürzt M-H-Magnetisierungskurve). Verschiedene Stoffe weisen unterschiedliche Magnetisierungskurven auf.
3. Magnetische Suszeptibilität χ
Auf der M-H-Magnetisierungskurve wird das Verhältnis von M zu H an einem beliebigen Punkt als magnetische Suszeptibilität bezeichnet und mit χ abgekürzt. χ = M/H, wobei die Einheit von M A/m und die Einheit von H ebenfalls A/m ist. Daher handelt es sich um eine relative magnetische Suszeptibilität ohne Einheit.
Wir verwenden die Größe und Anordnung der atomaren magnetischen Momente, die Form der M~H-Magnetisierungskurve und Parameter wie die magnetische Suszeptibilität, um den Magnetismus von Substanzen zu beschreiben und sie zu klassifizieren.
Paramagnetische Substanzen
Dies sind Stoffe, die sich in Richtung eines Magnetfelds magnetisieren lassen, wenn man sie in dessen Nähe bringt. Die Magnetisierung ist jedoch sehr schwach und kann nur mit Präzisionsinstrumenten gemessen werden. Wird das äußere Magnetfeld entfernt, kehrt auch das innere Magnetfeld auf null zurück, sodass kein Magnetismus mehr auftritt. Beispiele hierfür sind Aluminium und Sauerstoff.
Jedes Atom in einer paramagnetischen Substanz besitzt ein magnetisches Moment, das ihr ein intrinsisches atomares magnetisches Moment verleiht. Zwischen benachbarten Atomen in paramagnetischen Substanzen besteht keine Wechselwirkung; daher sind die atomaren magnetischen Momente bei Raumtemperatur zufällig angeordnet, und der Projektionswert des atomaren magnetischen Moments μJ in jede Richtung ist null. Wird ein externes Magnetfeld H angelegt, können sich die atomaren magnetischen Momente dieser Substanzen nur um einen sehr kleinen Winkel in Richtung des externen Magnetfelds drehen, und ihre Magnetisierung nimmt mit zunehmender Feldstärke langsam zu. Ihre magnetische Suszeptibilität χ ist größer als null und liegt typischerweise im Bereich von 10⁻⁵ bis 10⁻³.
Um sicherzustellen, dass sich die atomaren magnetischen Momente eines paramagnetischen Materials perfekt an der Richtung eines externen Magnetfelds ausrichten, ist nach einer groben Schätzung eine externe Magnetfeldstärke von 10⁹ bis 10¹⁰ A/m erforderlich, was derzeit mit künstlichen Magnetfeldern schwer zu erreichen ist.
diamagnetische Materialien
Materialien mit negativer magnetischer Suszeptibilität weisen eine umgekehrte Richtung des magnetischen Feldes nach der Magnetisierung auf. Alle organischen Verbindungen sind diamagnetisch; Graphit, Blei und Wasser sind Beispiele für diamagnetische Materialien.
In diamagnetischen Materialien sind die Projektionen sowohl der atomaren Orbital- als auch der Spinmagnetmomente auf das Magnetfeld null, d. h., diamagnetische Materialien besitzen kein resultierendes atomares Magnetmoment. Unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds erzeugen die Elektronenorbitale jedoch ein induziertes zusätzliches Magnetmoment, das der Richtung des externen Magnetfelds entgegengesetzt ist und somit negativen Magnetismus hervorruft. Die Magnetisierungsintensität diamagnetischer Materialien ist negativ, entgegengesetzt zum externen Magnetfeld, und ihr Betrag steigt linear mit der Stärke des externen Magnetfelds.
Ferromagnetische Materialien
Dies sind Materialien, die, einmal durch ein externes Magnetfeld magnetisiert, ihre Magnetisierung auch nach dem Verschwinden des Feldes beibehalten. Bislang wurden 83 metallische Elemente entdeckt, von denen vier oberhalb Raumtemperatur ferromagnetisch sind: Eisen, Kobalt, Nickel und Gadolinium. Bei extrem niedrigen Temperaturen können fünf weitere Elemente ferromagnetisch werden: Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Thulium.
In ferromagnetischen Materialien besitzen Atome inhärente atomare magnetische Momente. Einige Elektronen werden geteilt, und die Spin-Magnetmomente benachbarter Atome sind parallel zueinander ausgerichtet (auch als spontane Magnetisierung bekannt). Die MH-Magnetisierungskurve ferromagnetischer Materialien ist nichtlinear, und die magnetische Suszeptibilität χ variiert mit dem Magnetfeld. Die magnetische Suszeptibilität χ ferromagnetischer Materialien ist sehr hoch und erreicht Werte von 10⁵ bis 10⁷.
Antiferromagnetische Materialien
Diese Materialien erzeugen kein Magnetfeld. Sie sind relativ selten, und es werden ständig neue antiferromagnetische Werkstoffe entdeckt. Die meisten antiferromagnetischen Materialien existieren nur bei tiefen Temperaturen; oberhalb einer bestimmten Temperatur werden sie typischerweise paramagnetisch. Chrom und Mangan sind beispielsweise antiferromagnetisch.
In antiferromagnetischen Materialien besitzen die Atome inhärente atomare magnetische Momente. Einige Elektronen werden geteilt, aber benachbarte atomare magnetische Momente sind entgegengesetzt ausgerichtet (antiferromagnetische Ordnung). Die Magnetisierungskurve M-H ferromagnetischer Materialien verläuft linear mit einer magnetischen Suszeptibilität χ > 0, deren Wert im Bereich von etwa 10⁻⁴ bis 10⁻⁵ liegt und somit sehr klein und konstant ist. Das bedeutet, dass sich die atomaren magnetischen Momente eines antiferromagnetischen Materials bei Magnetisierung in einem externen Magnetfeld nur geringfügig ändern, ähnlich wie bei paramagnetischen Materialien, die zum schwachen Magnetismus gehören. Die magnetische Suszeptibilität χ antiferromagnetischer Materialien ist temperaturabhängig, wie in der folgenden Abbildung dargestellt; T<sub>n</sub> wird als Niehr-Temperatur bezeichnet.
Ferriferromagnetische Materialien
Der makroskopische Magnetismus entspricht dem Ferromagnetismus, nur die magnetische Suszeptibilität ist geringer (die magnetische Suszeptibilität χ liegt im Bereich von 10² bis 10⁵). Typische ferrimagnetische Materialien sind Ferrite. Ihr bedeutendster Unterschied zu ferromagnetischen Materialien besteht in ihrer inneren magnetischen Struktur (Anordnung der magnetischen Momente).
Die atomaren magnetischen Momente subferromagnetischer Materialien sind nicht null. Zwischen benachbarten atomaren magnetischen Momenten existiert eine indirekte Austauschwechselwirkung, die sogenannte RKKY-Wechselwirkung. Diese führt dazu, dass sich die atomaren magnetischen Momente benachbarter Teilgitter antiparallel ausrichten. Die Beträge der atomaren magnetischen Momente benachbarter Teilgitter unterscheiden sich jedoch. Dieses Phänomen wird auch als subferromagnetische Ordnung oder subferromagnetische Spontanmagnetisierung bezeichnet. Die M-H-Magnetisierungskurve subferromagnetischer Materialien ist nichtlinear, ähnlich derjenigen ferromagnetischer Materialien, weist jedoch eine etwas geringere magnetische Suszeptibilität auf, zählt aber dennoch zu den starken Magneten.