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Ferromagnetismus

Ferromagnetismus ist die "normale" Form des Magnetismus, mit dem die meisten Menschen vertraut sind, auftritt in den Kühlschrank und Hufeisen Magnete. Es ist verantwortlich für die meisten der magnetischen Verhalten im Alltag begegnet. Die Anziehung zwischen einem Magneten und ferromagnetischen Materialien ist "die Qualität der Magnetismus ersten, die dem antiken Welt, die uns heute," nach einem klassischen Text auf Ferromagnetismus.

Ferromagnetismus ist definiert als das Phänomen, durch die Materialien, wie Eisen, in einem externen magnetischen Feld magnetisiert werden magnetisiert und bleiben für einen Zeitraum nach dem Material befindet sich nicht mehr im Feld.

Alle Permanentmagneten sind entweder ferromagnetische oder ferrimagnetic, wie auch die Metalle, die zu ihnen spürbar angezogen.

Historisch bezeichnet der Begriff Ferromagnet wurde für jedes Material, das zeigen könnte spontane Magnetisierung: Netto-magnetische Moment in Ermangelung eines externen magnetischen Feldes. Diese allgemeine Definition ist noch in der gemeinsamen Nutzung. In jüngster Zeit jedoch verschiedene Klassen von spontanen Magnetisierung ermittelt worden, wenn es mehr als einen magnetischen Ionen pro primitive Zelle des Materials, was zu einer strengeren Definition des Begriffs "Ferromagnetismus", der oft verwendet, um sie von ferrimagnetism. Insbesondere ein Material ist "ferromagnetischen" in diesem engeren Sinn nur dann, wenn alle ihre magnetischen Ionen hinzufügen einen positiven Beitrag zu den Netto-Magnetisierung. Wenn einige der magnetischen Ionen subtrahieren aus dem Netz Magnetisierung (wenn sie teilweise Anti-Ausrichtung), dann wird das Material "ferrimagnetic". Wenn die Anti-Ionen-align komplett, so haben Null net Magnetisierung, trotz der magnetischen bestellen, dann ist es eine antiferromagnet. Alle diese Effekte Ausrichtung nur bei Temperaturen unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur, die so genannte Curie-Temperatur (für Ferromagneten und ferrimagnets) oder die Néel-Temperatur (für Antiferromagneten).

Ferromagnetischen Materialien

Es gibt eine Reihe von kristallinen Materialien, die Ausstellung Ferromagnetismus (oder ferrimagnetism). Die Tabelle auf der rechten Seite enthält eine repräsentative Auswahl von ihnen, zusammen mit ihren Curie-Temperatur, die Temperatur, oberhalb derer sie nicht mehr ausstellen spontane Magnetisierung (siehe unten).

Ferromagnetische Metall-Legierungen, deren Bestandteile sich nicht selbst in ferromagnetischen ihre reinen Formen heißen Heusler-Legierungen, benannt nach Fritz Heusler.

Man kann auch amorphe (nicht kristalline) ferromagnetische metallische Legierungen durch sehr schnelle Abschrecken (Kühlung) eines flüssigen Legierung. Diese haben den Vorteil, dass ihre Eigenschaften sind fast isotropen (nicht aufgereiht entlang einer Achse Kristall), dieser Ergebnisse in der niedrigen Koerzitivfeldstärke, geringe Hysterese Verlust, hohe Permeabilität und hohen elektrischen Widerstand. Ein typisches solches Material ist ein übergang Metall-Metalloid-Legierung, aus ca. 80% übergang Metall (in der Regel Fe, Co, Ni) und ein Metalloid Komponente (B, C, Si, P, oder Al), senkt den Schmelzpunkt.

Eine relativ neue Klasse von außergewöhnlich starken ferromagnetischen Materialien sind die seltenen Erden-Magnete. Sie enthalten lanthanide Elemente, die bekannt sind für ihre Fähigkeit zur Durchführung großen magnetischen Momente in gut lokalisierten f-Orbitale.

Physikalische Herkunft

Das Anwesen ist von Ferromagnetismus durch den direkten Einfluß von zwei Effekten aus der Quantenmechanik: Spin und das Pauli-PrinZip.

Der Spin eines Elektrons, kombiniert mit seiner orbitale Drehimpuls, die Ergebnisse in ein magnetisches Dipolmoment und erzeugt ein Magnetfeld. (Das klassische Analogon von quantenmechanischen Spin ist ein sich drehender Ball of charge, aber die Quanten-Version hat deutliche Unterschiede, wie die Tatsache, dass sie diskrete up / down-Staaten, die nicht durch eine Vektor; ebenfalls für "Orbital" Bewegung , Deren klassische analoge ist eine Stromschleife.) In vielen Materialien (insbesondere, die mit einem Elektron besetzt Shell), aber die gesamte Dipolmoment der Elektronen gleich Null ist (dh die Spins sind in up / down-Paare). Nur Atomen mit teilweise gefüllten Schalen (dh, ungepaarten Spins) können einen Netto-magnetische Moment, in dem Fehlen einer externen Bereich. Ein ferromagnetischer Werkstoff hat viele solcher Elektronen, und wenn sie an sie schaffen einen messbaren makroskopischen Bereich.

Diese permanente Dipole (oft einfach "Spins", obwohl sie in der Regel auch orbitale Drehimpuls) schließen in der Regel parallel zu einem externen Magnetfeld, ein Effekt namens Paramagnetismus. (Eine verwandte, aber wesentlich schwächer Effekt ist Diamagnetismus, aufgrund der Orbital-Bewegung, die durch einen externen Bereich, was zu einem Dipolmoment gegenüber den angewandten Bereich.) Ferromagnetism handelt es sich um ein zusätzliches Phänomen, aber: die Tendenz zur Angleichung Dipole spontan, ohne Bereich angewendet. Dies ist eine rein quantenmechanische Effekt.

Nach den klassischen Elektromagnetismus, zwei in der Nähe magnetische Dipole in der Regel um in entgegengesetzte Richtungen (was würde ein antiferromagnetischen Material). In einer Ferromagnet, aber sie neigen dazu, align in die gleiche Richtung, weil der Pauli-PrinZip: Zwei Elektronen mit dem gleichen Spin kann auch nicht über die gleiche "Position", die effektiv reduziert den Energiebedarf ihrer elektrostatischen Wechselwirkungen im Vergleich zu Elektronen mit entgegengesetztem Spin . (Mathematisch ist dies präziser ausgedrückt in Bezug auf die Spin-Statistik-Theorem: weil Elektronen sind Fermionen mit der Hälfte Spin-integer, ihre antisymmetrische Wellenfunktionen sind unter Austausch von Teilchen-Positionen. Dies kann man zB in der Hartree - Fock Angleichung führen zu einer Verringerung der elektrostatischen potentiellen Energie.) Dieser Unterschied in der Energie heißt den Austausch Energie.

Auf langen Strecken (nach vielen Tausenden von Ionen), der Austausch von Energie Vorteil ist überholt durch die Tendenz der klassischen Dipole zu Anti-align. Dies ist der Grund, warum in einem equilibriated (non-magnetisiert) ferromagnetischen Materialien, die Dipole in der gesamten Material sind nicht aufeinander abgestimmt. Vielmehr organisieren sie in magnetischen Domänen (auch bekannt als Weiss-Domains), die aufeinander abgestimmt sind (Magnet) in kurzer Reichweite, aber auf lange Reihe neben anti-Domains sind aufeinander abgestimmt werden. Der übergang zwischen zwei Domänen, in denen die Magnetisierung klappt, wird als Wand-Domain (dh eine Bloch / Néelwand, je nachdem, ob die Magnetisierung dreht sich parallel / senkrecht zu den Domain-Schnittstelle) und ist ein schrittweiser übergang auf atomarer Skala (für Einer Entfernung von etwa 300 für die Eisen-Ionen).

So ein gewöhnliches Stück Eisen hat in der Regel nur wenig oder gar keine Netto-magnetische Moment. Allerdings, wenn es sich in einem stark genug externen magnetischen Feldes, die Domains werden neu orientieren und parallel zu diesem Bereich, und wird neu ausgerichtet bleiben, wenn das Feld deaktiviert ist, so dass ein "permanenter" Magnet. Diese Magnetisierung als Funktion des äußeren Feldes ist durch eine Hysterese-Kurve. Obwohl dieser Zustand angeglichen Domains ist nicht eine minimale Energie-Konfiguration, es ist sehr stabil und wurde beobachtet, dass es weiterhin für Millionen von Jahren im Meeresboden Magnetit ausgerichtet durch die das Magnetfeld der Erde (deren Pole kann damit gesehen werden, um Flip in längeren Abständen) . Die Netto-Magnetisierung kann durch Erhitzen zerstört und dann Abkühlung (Glühen) das Material ohne einen externen Bereich, allerdings.

Da die Temperatur erhöht, thermische Schwingung, oder Entropie, konkurriert mit dem ferromagnetischen Tendenz für Dipole ausgerichtet werden. Wenn die Temperatur steigt ab einem bestimmten Punkt, dem so genannten Curie-Temperatur, gibt es eine zweite Phase, um übergangs-und kann das System nicht mehr eine spontane Magnetisierung, obwohl es immer noch eine Antwort auf eine externe paramagnetically Bereich. Unterhalb dieser Temperatur, gibt es eine spontane Symmetriebrechung und zufällige Domains (in Ermangelung eines externen Bereich). Die Curie-Temperatur selbst ist ein kritischer Punkt, wo die magnetische Suszeptibilität ist theoretisch unendlich, und obwohl es keine Netto-Magnetisierung, Domain-Spin-Korrelationen schwanken wie bei allen lengthscales.

Die Studie von ferromagnetischen Phase übergänge, vor allem über das vereinfachte Spin Ising-Modell, hatte einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung der statistischen Physik. Dort wurde zum ersten Mal eindeutig gezeigt, dass die mittlere field theory Ansätze nicht vorhersagen, die richtige Verhalten an den kritischen Punkt (das wurde fallen unter eine Universalität Klasse, die auch viele andere Systeme, wie beispielsweise Gas-Flüssig-übergänge), und musste Ersetzt durch Renormierungsgruppe Theorie.