Magnetische Polarisation

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Was versteht man unter magnetischer Polarisation?

Unter magnetischer Polarisation eines ferromagnetischen Materials versteht man die Ausrichtung der Elementarmagnete im Material, also den Prozess der Magnetisierung. Oft wird auch die Richtung und Stärke der magnetischen Kräfte, die durch die ausgerichteten Elementarmagnete zustande kommt, als magnetische Polarisation bezeichnet. Von Magneten mit umgekehrter Polarisation spricht man, wenn sich der Nordpol des einen Magneten an der Stelle des Südpols des anderen Magneten befindet und umgekehrt.

Inhaltsverzeichnis

Unter magnetischer Polarisation versteht man den Prozess der Ausrichtung magnetischer Momente. Nach vollzogener Ausrichtung wird mit der Polarisation die Richtung bezeichnet, entlang derer die Elementarmagnete ausgerichtet wurden. Die magnetische Polarisation äußert sich als Magnetisierung und gibt dabei auch die Richtung der Magnetisierung an. Bei zwei verschiedenen Magneten spricht man von umgekehrter Polarisation oder auch entgegengesetzter Polarisierung, wenn beide Magnete an entgegengesetzten Enden ihren Nord- und entsprechend ihren Südpol haben.

Entstehen der magnetischen Polarisation

Physikalisch entsteht magnetische Polarisation dadurch, dass in Materie die vorhandenen magnetischen Momente durch ein äußeres Magnetfeld ausgerichtet werden. Dadurch summieren sich die magnetischen Kräfte aller magnetischen Momente und es kommt zu einer Verstärkung des äußeren Magnetfelds um den Faktor μ, die magnetische Permeabilität. Dies ist genau dann der Fall, wenn in der Materie magnetische Momente vorhandenen sind, die auch ausgerichtet werden können. Dies können beispielsweise einzelne Elektronenspins sein. Materialien mit dieser Eigenschaft sind paramagnetisch oder sogar ferromagnetisch. Der Prozess der Polarisation von Materie ist beobachtbar, wenn ein ferromagnetisches Material in ein äußeres Magnetfeld eingebracht wird.

Wirkt ein äußeres Magnetfeld H₀ auf ein Material der magnetischen Permeabilität μ, so stellt sich eine magnetische Flussdichte B ein, die um den Faktor μ des Materials größer ist als im Vakuum: B=μμ₀H₀.

Diese scheinbare Veränderung der magnetischen Flussdichte, welche durch den Einfluss der Materie im Gegensatz zum Vakuum entsteht, ist die magnetische Polarisation und wird mit dem Buchstaben J bezeichnet. Ein ferromagnetischer Stoff vergrößert beispielsweise die magnetische Flussdichte. Die magnetische Polarisation in einem äußeren Feld H₀ wird durch die magnetische Suszeptibilität χ des Materials bestimmt: J=χμ₀H₀.

Wegen B=μ₀H₀+J gilt, dass μ=(1+χ) den Zusammenhang zwischen magnetischer Suszeptibilität χ und magnetischer Permeabilität μ darstellt.

Experimentelle Feststellung

Im Experiment kann die magnetische Polarisation festgestellt werden, indem die magnetische Flussdichte am Ende einer Drahtspule gemessen wird, wenn ein Strom durch die Spule fließt. Dies kann zum Beispiel mit einer Hall-Sonde durchgeführt werden. Wird in die Spule ein ferromagnetisches Material eingebracht, zum Beispiel ein Zylinder aus Eisen, so wird man eine viel größere magnetische Flussdichte messen als ohne den Eisenkern.

Legt man an die Enden einer Spule eine Spannung U an, so fließt ein Strom I. Dieser Strom wiederum bedingt eine magnetische Flussdichte B. Die Größe der Flussdichte hängt dabei entscheidend von der magnetischen Permeabilität des von der Spule eingeschlossenen Volumens ab. Ist die Spule luftgefüllt (μ=1, linke Seite), so bildet sich ein magnetischer Fluss B, der in der Abbildung durch Feldlinien dargestellt ist. Wird in die Spule jedoch ein ferromagnetischer Stoff eingebracht, dessen Permeabilität größer als 1 ist (für Eisen kann μ Werte bis 100000 annehmen), so richten sich die atomaren Spins des Materials parallel zum erzeugten Magnetfeld aus (die atomaren Spins sind rot eingezeichnet, rechte Seite). Der magnetische Fluss B ist durch diesen Prozess der sogenannten magnetischen Polarisation deutlich größer. An der Oberfläche des Magneten kann dann ein deutlich stärkeres Magnetfeld gemessen werden und die magnetischen Kräfte einer solchen Spule mit magnetisch polarisiertem Eisenkern sind ebenfalls deutlich größer.

Zusammenhang zwischen magnetischer Polarisation und magnetischer Flussdichte

Im Vakuum (μ=1) entspricht dem Magnetfeld H₀ eine magnetische Flussdichte B=μ₀H₀.

Durch die Materie kommt noch die magnetische Polarisation J hinzu: B=μ₀H₀+J.

Dies entspricht einer Vergrößerung des Magnetfeldes H im Vergleich zum äußeren Magnetfeld H₀ um die Magnetisierung M:

H=H₀+M.

Magnetische Polarisation entspricht somit grundsätzlich der Magnetisierung. Die magnetische Polarisation ist die magnetische Flussdichte, welche zum Magnetfeld einer bestimmten Magnetisierung gehört. Die Magnetisierung ist ein Magnetfeld, die magnetische Polarisation ist dagegen eine magnetische Flussdichte.

Wegen B=μ₀H folgt B=μ₀H₀+μ₀M.

Wegen B=μ₀H₀+J ist dann wiederum die magnetische Polarisation J gleich dem Produkt aus der Magnetisierung M und der Permeabilitätskonstanten des Vakuums μ₀: J=μ₀M
Die Magnetisierung wird in Ampere pro Meter (A/m) gemessen, die Einheit der magnetischen Polarisation ist dagegen gleich der Einheit der magnetischen Flussdichte Tesla (T).

In Ferromagneten bleibt ein Teil der magnetischen Polarisation erhalten, auch wenn das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird. Diese verbleibende magnetische Polarisation wird als Remanenz bezeichnet. Grund für die verbleibende magnetische Polarisation in ferromagnetischen Materialien ist die permanente Ausrichtung der magnetischen Momente der Elektronenspins. Die Elektronenspins verbleiben aufgrund der Austauschwechselwirkung im ausgerichteten Zustand. Die Ausrichtung der magnetischen Momente kann dann nur durch Wärmezufuhr, durch harte Schläge oder durch ein passendes Gegenfeld der Koerzitivfeldstärke zerstört werden.

In Diamagneten sind keine permanenten magnetischen Momente vorhanden. Bringt man ein diamagnetisches Material in ein äußeres Magnetfeld ein, so kommt es aber dennoch zu einem Effekt, nämlich zur Induktion von Kreisströmen in dem Material. Die Induktion von Kreisströmen im Material ist ein Effekt, der auch in paramagnetischen und ferromagnetischen Substanzen vorhanden ist, aber durch die permanenten magnetischen Momente, also den Para- und Ferromagnetismus, überlagert wird. Die induzierten Kreisströme besitzen selbst magnetische Momente. Diese verstärken nun jedoch nicht das äußere Feld, sondern schwächen es (gemäß der Lenzschen Regel) ab, weil sie dem äußeren Magnetfeld entgegengerichtet sind.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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