Was ist ein Ferromagnet?
Ferromagnetische Materialien basieren normalerweise auf dem Element Eisen und stellen eine der drei in der Natur vorkommenden Arten von Magnetismus dar, die sich von Diamagnetismus und Paramagnetismus unterscheiden. Die Hauptmerkmale von Ferromagneten sind, dass sie ein natürliches Magnetfeld aufweisen, wenn dieses nicht zuerst von einer externen Magnetfeldquelle auf die Substanz ausgeübt wird, und das Feld ist in jeder Hinsicht permanent. Diamagnetische Werkstoffe weisen dagegen ein schwaches induziertes Magnetfeld auf, das dem in Eisen direkt entgegengesetzt ist. Zu den paramagnetischen Materialien gehören Aluminium- und Platinmetalle, bei denen ein leichtes Magnetfeld induziert werden kann, das jedoch beim Entfernen des Induktionsfelds schnell seine Wirkung verliert.
Das häufigste Material in der Natur, das ferromagnetische Eigenschaften aufweist, ist Eisen. Diese Qualität ist seit über 2.000 Jahren bekannt. Andere seltene Erden können ebenfalls Ferromagnetismus aufweisen, wie Gadolinium und Dysprosium. Metalle, die als ferromagnetische Legierungen wirken, umfassen mit Samariam oder Neodym legiertes Kobalt.
Das Magnetfeld in einem Ferromagneten ist in atomaren Bereichen zentriert, in denen Elektronenspins parallel zueinander ausgerichtet sind, sogenannte Domänen. Diese Domänen sind stark magnetisch, jedoch zufällig über die Masse eines Materials selbst verteilt, was ihm insgesamt einen schwachen oder neutralen natürlichen Magnetismus verleiht. Indem solche natürlichen Magnetfelder aufgenommen und einer externen Magnetquelle ausgesetzt werden, richten sich die Domänen selbst aus und das Material behält ein gleichmäßiges, starkes und dauerhaftes Magnetfeld bei. Diese Zunahme des allgemeinen Magnetismus einer Substanz ist als relative Permeabilität bekannt. Die Fähigkeit von Eisen und Seltenen Erden, diese Ausrichtung der Domänen und den allgemeinen Magnetismus beizubehalten, wird als Hysterese bezeichnet.
Während ein Ferromagnet sein Feld beibehält, wenn das induzierende Magnetfeld entfernt wird, bleibt es mit der Zeit nur bei einem Bruchteil der ursprünglichen Stärke erhalten. Dies ist als Remanenz bekannt. Remanenz ist wichtig für die Berechnung der Stärke von Permanentmagneten basierend auf Ferromagnetismus, wo sie in Industrie- und Verbrauchergeräten verwendet werden.
Eine weitere Einschränkung aller Ferromagnetvorrichtungen besteht darin, dass die Eigenschaft des Magnetismus bei einem bestimmten Temperaturbereich, der als Curie-Temperatur bekannt ist, vollständig verloren geht. Wenn die Curie-Temperatur eines Ferromagneten überschritten wird, ändern sich seine Eigenschaften zu denen eines Paramagneten. Das Curie-Gesetz der paramagnetischen Suszeptibilität verwendet die Langevin-Funktion, um die Änderung der ferromagnetischen zu paramagnetischen Eigenschaften in bekannten Materialzusammensetzungen zu berechnen. Der Wechsel von einem Zustand in einen anderen folgt einer vorhersagbaren, ansteigenden, parabolisch geformten Kurve, wenn die Temperatur ansteigt. Diese Tendenz, dass der Ferromagnetismus mit zunehmender Temperatur nachlässt und schließlich verschwindet, wird als thermisches Rühren bezeichnet.
Das elektrische Brummen, das in einem Transformator ohne bewegliche Teile zu hören ist, ist auf die Verwendung eines Ferromagneten zurückzuführen und wird als Magnetostriktion bezeichnet. Dies ist eine Reaktion des Ferromagneten auf das induzierte Magnetfeld, das durch den dem Transformator zugeführten elektrischen Strom erzeugt wird. Dieses induzierte Magnetfeld bewirkt, dass das natürliche Magnetfeld der Substanz die Richtung geringfügig ändert, um sich an dem angelegten Feld auszurichten. Es ist eine mechanische Reaktion im Transformator auf Wechselstrom (AC), der sich normalerweise in 60 Hertz-Zyklen oder 60-mal pro Sekunde abwechselt.
Fortgeschrittene Forschung unter Verwendung von Ferromagneteigenschaften bietet mehrere interessante Anwendungsmöglichkeiten. In der Astronomie wird eine ferromagnetische Flüssigkeit als eine Art Flüssigkeitsspiegel konzipiert, der glatter sein könnte als Glasspiegel und zu einem Bruchteil der Kosten für Teleskope und Raumsonden hergestellt wird. Die Spiegelform könnte auch durch zyklisches Schalten von Magnetfeldaktuatoren bei 1-Kilohertz-Zyklen geändert werden.
Ferromagnetismus wurde auch in Verbindung mit der Supraleitung in laufenden Untersuchungen im Jahr 2011 entdeckt. Eine im Nanometerbereich hergestellte Nickel-Wismut-Verbindung, Bi 3 Ni, oder ein Milliardstel eines Meters, weist andere Eigenschaften auf als dieselbe Verbindung in größere Proben. Materialeigenschaften in diesem Maßstab sind einzigartig, da der Ferromagnetismus normalerweise die Supraleitung aufhebt und seine möglichen Anwendungen noch untersucht werden.
Deutsche Forschungen zu Halbleitern, die auf einem Ferromagneten basieren, umfassen die Verbindung Gallium-Mangan-Arsen, GaMnAs. Es ist bekannt, dass diese Verbindung die höchste Curie-Temperatur aller ferromagnetischen Halbleiter von 212 ° Fahrenheit (100 ° Celsius) aufweist. Solche Verbindungen werden erforscht, um die elektrische Leitfähigkeit von Supraleitern dynamisch abzustimmen.