Magnetismus in Materie

Materialien reagieren auf Magnetfelder, indem sie magnetisiert werden, mit diamagnetischem, paramagnetischem und ferromagnetischem Verhalten.

Definition

Die Untersuchung, wie Materialien als Reaktion auf angelegte Felder ein magnetisches Moment pro Volumeneinheit (Magnetisierung) erwerben, makroskopisch durch Suszeptibilität und Permeabilität charakterisiert und nach dem Vorzeichen und der Größe der Reaktion als diamagnetisch, paramagnetisch oder ferromagnetisch klassifiziert.

Scope

Dieses Thema behandelt die Magnetisierung von Materie, gebundene Ströme, das Hilfsfeld H, magnetische Suszeptibilität und Permeabilität sowie die drei Hauptklassen der magnetischen Reaktion – Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus – einschließlich Hysterese und magnetischer Domänen. Es behandelt lineare Medien und den qualitativen mikroskopischen Ursprung der magnetischen Ordnung, während die detaillierte Quantentheorie zur Festkörperphysik gehört.

Core questions

• Wie führt Magnetisierung zu gebundenen Strömen und dem H-Feld?
• Was unterscheidet diamagnetische, paramagnetische und ferromagnetische Materialien?
• Warum zeigen Ferromagnete Hysterese und behalten ihre Magnetisierung bei?

Key concepts

• Magnetisierung
• gebundener Strom
• Hilfsfeld H
• magnetische Suszeptibilität
• Permeabilität
• Diamagnetismus
• Paramagnetismus
• Ferromagnetismus
• Hysterese
• magnetische Domänen

Key theories

Magnetisierung und gebundene Ströme

Ausgerichtete atomare Dipole erzeugen eine Magnetisierung, deren räumliche Variation äquivalent zu gebundenen Volumen- und Oberflächenströmen ist, was zum Hilfsfeld H führt, das nur von freien Strömen erzeugt wird.

Klassen der magnetischen Reaktion

Diamagnete wirken dem Feld schwach entgegen, Paramagnete richten sich schwach mit ihm aus, und Ferromagnete zeigen eine starke, oft permanente Magnetisierung mit Domänenstruktur und Hysterese unterhalb der Curie-Temperatur.

Clinical relevance

Magnetische Materialien sind zentral für Permanentmagnete, Transformatoren- und Motorkerne, magnetische Speichermedien sowie die Kontrast- und Abschirmungsaspekte in der Magnetresonanztomographie.

History

Faraday klassifizierte Substanzen in den 1840er Jahren als paramagnetisch oder diamagnetisch. Pierre Curie etablierte um 1895 Temperaturgesetze für die magnetische Suszeptibilität, und Weiss führte Anfang des 20. Jahrhunderts die Molekularfeldtheorie des Ferromagnetismus und der Domänen ein, die später in quantenmechanischen Austauschwechselwirkungen begründet wurde.

Key figures

• Pierre Curie
• Pierre Weiss
• Michael Faraday

Seminal works

• landau1984
• kittel2005

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen B und H?

B ist das gesamte Magnetfeld einschließlich des Beitrags magnetisierter Materie, während H (das Hilfsfeld) so konstruiert ist, dass seine Quellen nur die freien Ströme sind; in linearen Medien sind sie durch die Permeabilität proportional.

Warum bleiben Ferromagnete magnetisiert?

Eine starke Austauschkopplung richtet benachbarte atomare Momente in Domänen aus; sobald ein externes Feld die Domänen ausrichtet, ermöglicht die Hysterese, dass ein Großteil der Magnetisierung nach dem Entfernen des Feldes bestehen bleibt, was einen Permanentmagneten ergibt.