Magnetisierung

In der klassischen Elektrodynamik ist die Magnetisierung das Vektorfeld , das die Dichte permanenter oder induzierter magnetischer Dipolmomente in einem magnetischen Material beschreibt. Physiker und Ingenieure definieren die Magnetisierung daher üblicherweise als die magnetische Momentengröße pro Volumeneinheit. ^{[ 1 ]} Sie wird durch einen Pseudovektor M dargestellt . Die Magnetisierung ist vergleichbar mit der elektrischen Polarisation , die in der Elektrostatik die Reaktion eines Materials auf ein elektrisches Feld beschreibt .

Die Magnetisierung beschreibt auch, wie ein Material auf ein angelegtes Magnetfeld reagiert und wie das Material das Magnetfeld verändert. Sie kann auch zur Berechnung der Kräfte verwendet werden , die aus diesen Wechselwirkungen resultieren.

Die für die Magnetisierung verantwortlichen magnetischen Momente können entweder auf mikroskopische elektrische Ströme zurückzuführen sein , die durch die Bewegung von Elektronen in Atomen entstehen , oder auf den Spin der Elektronen oder der Atomkerne. Die resultierende Magnetisierung resultiert aus der Reaktion eines Materials auf ein externes Magnetfeld .

Paramagnetische Materialien weisen in einem Magnetfeld eine schwache induzierte Magnetisierung auf, die beim Entfernen des Magnetfelds verschwindet. Ferromagnetische und ferrimagnetische Materialien hingegen zeigen in einem Magnetfeld eine starke Magnetisierung und können so magnetisiert werden , dass sie auch ohne äußeres Feld magnetisiert bleiben und somit zu Permanentmagneten werden . Die Magnetisierung ist innerhalb eines Materials nicht notwendigerweise homogen, sondern kann zwischen verschiedenen Punkten variieren.

Das Magnetisierungsfeld oder M -Feld kann gemäß der folgenden Gleichung definiert werden: $${\displaystyle \mathbf {M} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {m} }{\mathrm {d} V}}}$$

Hierbei bezeichnet M das elementare magnetische Moment und V das Volumenelement ; anders ausgedrückt: Das M -Feld beschreibt die Verteilung der magnetischen Momente in dem betrachteten Gebiet oder der betrachteten Mannigfaltigkeit . Dies lässt sich anhand der folgenden Beziehung veranschaulichen: wobei m ein gewöhnliches magnetisches Moment ist und das Dreifachintegral die Integration über ein Volumen bezeichnet. Dadurch ist das M -Feld vollständig analog zum elektrischen Polarisationsfeld P , das zur Bestimmung des elektrischen Dipolmoments p verwendet wird, das von einem ähnlichen Gebiet oder einer ähnlichen Mannigfaltigkeit mit einer solchen Polarisation erzeugt wird: wobei E das elementare elektrische Dipolmoment ist. ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$${\displaystyle \mathrm {d} V}$$${\displaystyle \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,\mathrm {d} V}$$$${\displaystyle \mathbf {P} ={\mathrm {d} \mathbf {p} \over \mathrm {d} V},\quad \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \,\mathrm {d} V,}$$${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {p} }$

Diese Definitionen von P und M als „Momente pro Volumeneinheit“ sind weit verbreitet, obwohl sie in einigen Fällen zu Unklarheiten und Paradoxien führen können. ^{[ 1 ]}

Das M -Feld wird in Ampere pro Meter (A/m) in SI-Einheiten gemessen . ^{[ 2 ]}

Das Verhalten von Magnetfeldern ( B , H ), elektrischen Feldern ( E , D ), Ladungsdichte ( ρ ) und Stromdichte ( J ) wird durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben . Die Rolle der Magnetisierung wird im Folgenden erläutert.

Die Magnetisierung definiert das Hilfsmagnetfeld H als

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H+M} )}$( SI )

${\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {H} +4\pi \mathbf {M} }$( Gaußsches System )

was für verschiedene Berechnungen praktisch ist. Die Vakuumpermeabilität μ ₀ beträgt ungefähr4π × 10 ⁻⁷  V · s /( A · m ).

Zwischen M und H besteht in vielen Materialien ein Zusammenhang. Bei Diamagneten und Paramagneten ist dieser Zusammenhang üblicherweise linear:

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,\,\mathbf {B} =\mu \mathbf {H} =\mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} ,}$

Dabei wird χ als magnetische Volumensuszeptibilität und μ als magnetische Permeabilität des Materials bezeichnet. Die magnetische potenzielle Energie pro Volumeneinheit (d. h. die magnetische Energiedichte ) des Paramagneten (oder Diamagneten) im Magnetfeld beträgt:

${\displaystyle -\mathbf {M} \cdot \mathbf {B} =-\chi \mathbf {H} \cdot \mathbf {B} =-{\frac {\chi }{1+\chi }}{\frac {\mathbf {B} ^{2}}{\mu _{0}}},}$

Der negative Gradient davon ist die magnetische Kraft auf den Paramagneten (oder Diamagneten) pro Volumeneinheit (d. h. Kraftdichte).

Bei Diamagneten ( ) und Paramagneten ( ) gilt üblicherweise , und daher . ${\displaystyle \chi <0}$${\displaystyle \chi >0}$${\displaystyle |\chi |\ll 1}$${\displaystyle \mathbf {M} \approx \chi {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}$

Bei Ferromagneten besteht aufgrund der magnetischen Hysterese keine Eins-zu-Eins-Korrespondenz zwischen M und H.

Alternativ zur Magnetisierung kann man die magnetische Polarisation I definieren (oft wird das Symbol J verwendet, nicht zu verwechseln mit der Stromdichte). ^{[ 3 ]}

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {H} +\mathbf {I} }$( SI ).

Dies geschieht in direkter Analogie zur elektrischen Polarisation . Die magnetische Polarisation unterscheidet sich somit von der Magnetisierung um einen Faktor μ₀ _.${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} }$

${\displaystyle \mathbf {I} =\mu _{0}\mathbf {M} }$( SI ).

Während die Magnetisierung in Ampere/Meter angegeben wird, wird die magnetische Polarisation in Tesla angegeben.

Die Magnetisierung M leistet einen Beitrag zur Stromdichte J , dem sogenannten Magnetisierungsstrom. ^{[ 4 ]}

${\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {m} }=\nabla \times \mathbf {M} }$

und für den gebundenen Oberflächenstrom :

${\displaystyle \mathbf {K} _{\mathrm {m} }=\mathbf {M} \times \mathbf {\hat {n}} }$

sodass die gesamte Stromdichte, die in die Maxwell-Gleichungen eingeht, gegeben ist durch

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {J} _{\mathrm {f} }+\nabla \times \mathbf {M} +{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$

wobei J _f die elektrische Stromdichte der freien Ladungen (auch freier Strom genannt ) ist, der zweite Term der Beitrag der Magnetisierung ist und der letzte Term mit der elektrischen Polarisation P zusammenhängt .

In Abwesenheit freier elektrischer Ströme und zeitabhängiger Effekte reduzieren sich die Maxwell-Gleichungen , die die magnetischen Größen beschreiben, auf

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times H} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot H} &=-\nabla \cdot \mathbf {M} \end{aligned}}}$

Diese Gleichungen können in Analogie zu elektrostatischen Problemen gelöst werden, wobei

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times E} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot E} &={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}\end{aligned}}}$

In diesem Sinne spielt −∇⋅ M die Rolle einer fiktiven "magnetischen Ladungsdichte", analog zur elektrischen Ladungsdichte ρ ; (siehe auch Entmagnetisierungsfeld ).

Das zeitabhängige Verhalten der Magnetisierung gewinnt an Bedeutung bei der Betrachtung von Magnetisierungsprozessen im Nanometer- und Nanosekundenbereich. Anstatt sich einfach entlang eines angelegten Feldes auszurichten, präzedieren die einzelnen magnetischen Momente eines Materials um das angelegte Feld und richten sich durch Relaxation aus, während Energie in das Kristallgitter übertragen wird.

Die Magnetisierungsumkehr, auch Umschaltung genannt, bezeichnet den Prozess, der zu einer 180°-Drehung des Magnetisierungsvektors relativ zu seiner ursprünglichen Richtung führt , von einer stabilen Ausrichtung zur entgegengesetzten. Technologisch gesehen ist dies einer der wichtigsten Prozesse im Magnetismus und eng mit der magnetischen Datenspeicherung, wie sie beispielsweise in modernen Festplattenlaufwerken verwendet wird , verbunden . ^{[ 5 ]} Nach heutigem Kenntnisstand gibt es nur wenige Möglichkeiten, die Magnetisierung eines metallischen Magneten umzukehren:

1. ein angelegtes Magnetfeld ^{[ 5 ]}
2. Spin-Injektion mittels eines Teilchenstrahls mit Spin ^{[ 5 ]}
3. Magnetisierungsumkehr durch zirkular polarisiertes Licht ; ^{[ 6 ]} d. h. einfallende elektromagnetische Strahlung, die zirkular polarisiert ist

Entmagnetisierung ist die Verringerung oder Beseitigung der Magnetisierung. ^{[ 7 ]} Eine Möglichkeit hierfür ist, das Objekt über seine Curie-Temperatur zu erhitzen . Bei dieser Temperatur besitzen die thermischen Fluktuationen genügend Energie, um die Austauschwechselwirkungen – die Quelle der ferromagnetischen Ordnung – zu überwinden und diese Ordnung zu zerstören. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Objekt aus einer elektrischen Spule zu ziehen, durch die Wechselstrom fließt. Dadurch entstehen Felder, die der Magnetisierung entgegenwirken. ^{[ 8 ]}

Eine Anwendung der Entmagnetisierung ist die Beseitigung unerwünschter Magnetfelder. Magnetfelder können beispielsweise elektronische Geräte wie Mobiltelefone oder Computer stören und die maschinelle Bearbeitung beeinträchtigen, indem sie dazu führen, dass die Werkstücke am Werkstück haften bleiben. ^{[ 8 ]}

Eine dritte, erst kürzlich entdeckte Methode ist die ultraschnelle Entmagnetisierung mittels intensiver Femtosekunden-Laserpulse. ^{[ 9 ]} Im Gegensatz zur Erwärmung über die Curie-Temperatur ist dieser Prozess extrem schnell (in weniger als einer Pikosekunde) und gilt als Nichtgleichgewichtsprozess. Der Laserpuls überträgt Energie direkt auf die Elektronen des Materials. Diese Energie wird dann rasch durch Mechanismen wie die Elektron-Magnon-Streuung auf das Spinsystem übertragen, wodurch die magnetische Ordnung zusammenbricht, lange bevor sich das Kristallgitter des Materials signifikant erwärmen kann. Dieses Phänomen ist ein zentrales Forschungsgebiet für die Entwicklung zukünftiger magnetischer Hochgeschwindigkeits-Datenspeicher und spintronischer Bauelemente.

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