magnetisme

Påtrykkes et materiale et ydre magnetfelt, påvirkes elektronerne i dets atomer af en ekstra kraft fra magnetfeltet. Elektronbevægelsen perturberes (forstyrres) derved på en måde, som kun kan beskrives præcist med kvantemekaniske metoder. Kvalitativt kan situationen opfattes sådan, at det påtrykte magnetfelt inducerer en ekstra strøm i atomet og et dertil knyttet induceret magnetisk moment. Efter Lenz' lov skaber induktionen et magnetfelt rettet mod det påtrykte felt og vil derved svække dette. Denne såkaldte diamagnetisme er en svag effekt; i faste materialer er reduktionen af størrelsesordenen 10^-5.

Diamagnetisme, som er næsten uafhængig af temperaturen, optræder i princippet for alle materialer, men kan helt overskygges af de stærkere effekter, som omtales i det følgende.

Atomer og molekyler kan have et permanent magnetisk dipolmoment knyttet til elektronernes impulsmoment og spin. I fravær af et ydre magnetfelt er de individuelle atomers magnetiske momenter dog tilfældigt orienteret og giver derfor ikke nogen samlet magnetisk virkning.

Et ydre magnetfelt påvirker imidlertid atomerne med et kraftmoment, som søger at rette de magnetiske dipoler parallelt med det ydre felt, da denne ensretning giver den laveste energi. De ensrettede dipoler skaber et felt, som øger det ydre felt. Effekten kaldes paramagnetisme og er også en svag effekt, om end stærkere end diamagnetismen; i faste materialer er feltets forøgelse af størrelsesordenen 10^-4.

Ensretningen af de permanente magnetiske momenter modvirkes af de termiske bevægelser af materialets bestanddele, og den paramagnetiske virkning på feltet aftager derfor med stigende temperatur.

Ferromagnetisme kan opfattes som en særlig form for paramagnetisme, der optræder i materialer, som naturligt er opdelt i små områder, domæner. I domænerne er der en tendens til, at de permanente dipolmomenter spontant ensrettes under atomernes eller molekylernes gensidige vekselvirkning. I et feltfrit materiale er domænerne magnetiseret i helt tilfældige retninger, således at materialet som helhed er umagnetisk. Under påvirkning af et ydre magnetfelt forskydes domænernes grænser imidlertid, således at de domæner, som er magnetiseret parallelt med det ydre felt, vokser i størrelse, mens de øvrige domæner formindskes.

For stærke felter kan domænernes magnetisering desuden drejes i feltretningen, hvis denne ændres. Slutresultatet er en næsten total ensretning af de magnetiske momenter. For jern, cobalt, nikkel og gadolinium er denne tendens særlig udpræget og optræder ved normal omgivelsestemperatur.

Ensretning af domænernes magnetisering sker ved vanskeligt forløbende processer. Dette gælder også de omvendte processer, som indtræffer, når det ydre felt reduceres. Selv når det ydre felt helt fjernes, vender domænerne ikke tilbage til den oprindelige tilstand, men bevarer en betydelig ensretning, således at materialet er blevet en permanent magnet.

Ferromagnetiske materialer påvirker ydre felter meget kraftigt. En given magnetisk påvirkning kan således i et ferromagnetisk materiale give B-felter, som er 10³-10⁵ gange større end for den samme påvirkning i vakuum. Ferromagnetismen forsvinder ved temperaturer over den såkaldte Curietemperatur, T_C.

I visse materialer er det ved lave temperaturer energimæssigt favorabelt, at naboatomer indstiller sig med modsatrettede spin og dermed modsatrettede magnetiske momenter. Et sådant materiale kaldes en antiferromagnet og har udadtil ingen magnetisk virkning.

Det kan også forekomme, at to forskelligt store magnetiske momenter indstiller sig modsat. Et sådant materiale kaldes en ferrimagnet og har en resulterende magnetisering.

Endelig kan der også forekomme mere specielle magnetiske strukturer, fx spiralstrukturer, hvor magnetiseringsretningen følger en spiralkurve (se lanthanider (magnetiske egenskaber)).

Ferromagnetiske materialer har mange tekniske anvendelser, og det er af stor kommerciel interesse at finde materialer med optimale egenskaber.

Bløde magnetiske materialer er karakteriseret ved høj permeabilitet og smal hysteresekurve, således at materialet let lader sig magnetisere af et ydre magnetfelt, og at magnetiseringen let ændrer sin retning. De bløde materialer er oftest legeringer af jern med silicium, nikkel eller cobalt og anvendes især i transformatorer og motorer.

Hårde magnetiske materialer er karakteriseret ved en bred hysteresekurve, således at det kræver et stort koercivfelt at ændre magnetiseringens retning og størrelse. Hårde materialer er fx jern med højt kulstofindhold (stål) og legeringer af jern med cobalt, wolfram og aluminium. De hårde materialer anvendes til permanente magneter (se magnet).

• jordmagnetisme
• animalsk magnetisme