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An die Schüler der 11. und 12. Klassen in Dresden und Umgebung:

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  • Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen

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3 Die Theorie


Magnetisches Moment

Bewegte Ladungen erzeugen um sich herum ein Magnetfeld. Handelt es sich um einen Kreisstrom (d. h. dass sich die Ladungen auf einer Kreisbahn bewegen), addieren sich die Felder und es entsteht ein Dipol (Nord- und Südpol). So funktioniert z.B. auch eine Spule.

Kreisstrom-Magnetfeld

Magnetfeld um einen kreisförmig angeordneten Leiter (H ist das entstehende Magnetfeld, I ist der fließende Strom)

Wenn man sich jetzt den Atomaufbau anschaut, kann man feststellen, dass es sich dabei um fast genau das gleiche Prinzip handelt. In der Mitte befindet sich der Atomkern und die Elektronen (geladene Teilchen) bewegen sich in einer annähernden Kreisbahn um den Atomkern herum. Bei vollbesetzten Elektronenschalen findet allerdings ein Ausgleich statt, da die Elektronen untereinander und mit dem Atomkern wechselwirken. Es gibt noch weitere Bewegungen von Elektronen und Kern, die das resultierende Magnetfeld beeinflussen. Werden die Magnetfelder nicht ausgeglichen, besitzt das Atom ein magnetisches Moment.


Magnetische Domäne und Anisotropie

Wenn die magnetischen Momente regelmäßig angeordneter Atome parallel sind und in die gleiche Richtung zeigen, entstehen magnetische Domänen (auch Weiss´sche Bezirke genannt). Diese besitzen selbst wiederum ein magnetisches Moment. Dies trifft auf Ferromagneten zu  (Eisen, Kobalt, Nickel). Die meisten ferromagnetischen Stoffe bestehen aus mehreren magnetischen Domänen, die sich untereinander ausgleichen, sodass so ein Stoff selbst kein eigenes Magnetfeld (magnetisches Streufeld) besitzt.

Das liegt daran, dass ein magnetisches Streufeld zu viel Energie benötigen würde. Legt man aber von außen ein Magnetfeld an, so beginnen sich die magnetischen Domänen im angelegten Feld auszurichten und bauen selbst ein Magnetfeld auf. Der Stoff ist dann magnetisiert. Doch wenn man einen Stoff magnetisiert hat, kann man die Magnetisierung mit einem entgegen gesetzten Magnetfeld wieder aufheben bzw. umpolen. Dauermagnete können ihr Magnetfeld dauerhaft aufrecht erhalten, weil sie eine besondere Mikrostruktur besitzen.

Weiss´sche Bezirke
Aufbau Weiss´scher Bezirke auf atomarer, molekularer und mikroskopischer Ebene

Auf Grund baulicher Eigenschaften besitzen ferromagnetische Stoffe eine „leichte“ und eine „schwere“ Richtung. Das bedeutet, dass der Energieaufwand und damit die benötigte Feldstärke in der „schweren“ Richtung wesentlich höher sein muss, um eine komplette Ausrichtung aller magnetischen Domänen (gesättigter Zustand) zu erreichen. Die Richtungsabhängigkeit des Verhaltens eines Stoffes nennt man Anisotropie. Die Richtung, in die sich das Magnetfeld leichter ausrichten lässt, ist die Anisotropierichtung.

magnetische Domäne
Zerfall eines Körpers in einen energiesparenderen Zustand durch Bildung magnetischer Domänen

Der magnetooptische Kerr-Effekt (MOKE)

John Kerr entdeckte 1876, dass sich die Polarisationsebene des Lichtes um einen bestimmten Winkel (Kerr-Winkel) ändert, wenn linear polarisiertes Licht auf eine magnetisierte Probe fällt,  oder anders ausgedrückt: Der Feldvektor (E) ändert seine Richtung um den Winkel Θ K. Das nennt man Kerr-Effekt. Der Kerr-Winkel hängt von der Orientierung der magnetischen Momente in der Probe ab.

Kerr-Winkel
Kerr-Winkel

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