7.2.3 Merkpunkte zu Kapitel 7.2 Ferromagnetismus und magnetische Domänen

Viele ferromagnetische Materialien haben trotz paralleler Ausrichtung der atomaren magnetischen Momente eine verschwindende Magnetisierung, d. h. sie sind keine starken Permanentmagnete.  
Magnetische Domänen
Der Grund dafür liegt in der Ausbildung von magnetischen Domänen = Bereichen mit perfekter magnetischer Ordnung, aber mit verschiedener, sich insgesamt weitgehend aufhebender Ausrichtungen der Magnetisierung.  
Die Domänenwände sind flächige Defekte im Ordnungsmuster der atomaren Magnetisierungen und haben somit eine Energie pro cm2.  
Die Magnetisierung über eine Domänenwand ändert sich stetig; damit haben Domänenwände eine "Dicke", die viele Gitterkonstanten betragen kann.  
     
Es gibt zwei Hauptarten von Domänenwänden: die Blochwand und die Neélwand.  
Domänenwände
Meist liegen Blochwände vor; Neélwände sind eher in dünnen Schichten prominent.  
   
Domänen entstehen, weil durch Domänenbildung trotz des Energieinvestments für die Domänenwände, die (freie) Energie des Materials ingesamt gesenkt werden kann. Dabei sind drei Energiebeiträge besonders wichtig:  
  • Energie des externen Magnetfelds.
  • Verformungsenergie wg. Magnetostriktion
  • Anisotropie über "leichte Richtungen"
Domänenenstrukturen
Im sich bis ins "Unendliche" erstreckenden Magnetfeld eines starken Magneten steckt eine Menge Feldenergie. Mit geeignet angeordneten Domänen kann diese Energie praktisch auf Null reduziert werden.  
Kristalle mit geordneten magnetischen Momenten zeigen ausnahmslos den Effekt der Magnetostriktion - d. h. sie "ziehen" sich i.d.R. senkrecht zur Magnetisierungsrichtung etwas zusammen. Damit kommt elastische Energie ins Spiel (Es werden Bindungsfedern gedehnt oder gedrückt).  
Die gemeinsame Richtung der geordneten magnetischen Momente ist nicht beliebig sondern energetisch am günstigsten für "leichte Richtungen" = niederindizierte kristallographische Richtung, (z. B. <100> in Fe, <111> in Ni).  
Die resultierenden Strukturen können sehr komplex sein, minimieren aber schlicht die Energie.  
 
Mit einem äußeren Magnetfeld vergrößern sich günstig orientierte Domänen auf Kosten der anderen.Þ  
Bewegung von magnetischen Domänen
Dazu müssen sich Domänenwände bewegen. Domänenwände werden aber in ihrere Beweglichkeit stark von lokalen inneren mechanischenSpannungen / Dehnungen = Defekten beeinflusst. Das hat eine Reihe von Konsequenzen:  
Die Magnetisierungskurve wird nichtlinear und zeigt oft Hysterese.  
Domänenwände zu verschieben geht nicht so schnell. Þ
Die Frequenzabhängigkeit der Magnetisierung von ferromagnetischen Materialien folgt aus der "Mechanik" der Domänenbewegung, die schon bei relativ niedrigen Frequenzen (kHz - MHz) schlappmacht - außer bei speziellen "Nano"-Werkstoffen.
 
Domänenwände hin-und-her zu schieben kostet Energie. Ein Teil der magnetischen Verluste P (die Hystereseverluste PHyst) erklärt sich durch diesen Effekt.  
Kristalldefekte beeinflussen (typischerweise erschweren) die Bewegung von Domänenwänden. Damit lassen sich Eigenschaften der Hysteresekurve durch "defect engineering" einstellen.  
   
Weitere Verluste PWirb resultieren von induzierten Wirbelströmen in leitenden magnetische Materialien (spez. Widerstand r).  
PFe  =   PWirb  +  PHyst
         
   =   p · d2
6r
· (f · Bmax)2   +  2f · HC · Bmax
Beide Verlustarten sind proportional zur Frequenz f.
d ist die Dicke des Materials senkrecht zur Feldrichtung; r der spez. Widerstand.
 
Zur Minimierung von PWirb ist es angebracht, statt Volumenmaterials eine Schichtung isolierter Bleche zu nehmen (z. B. Trafokerne)  

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© H. Föll (MaWi für ET&IT - Script)