Fragen rund um den Ferromagnetismus

Was ist der Unterschied zwischen "ferromagnetischen" und "magnetischen" Werkstoffen?

Im Volksmund werden die Begriffe "magnetisch" und "ferromagnetisch" oft als Synonyme verwendet, was fachlich gesehen allerdings nicht ganz korrekt ist.

Es handelt sich dann um einen "ferromagnetischen" Werkstoff bzw. Gegenstand, wenn ein Magnet daran haftet. Wenn also ein Magnet an einem Hammer haftet, so ist der Hammer als ferromagnetisch zu bezeichnen. Im Volksmund spricht man hier fälschlicherweise oft von einem magnetischen Gegenstand.

Welche Gegenstände werden von einem Magnet angezogen?

Magnete ziehen nur ferromagnetische Stoffe an (siehe Erklärung oben).

Hierzu zählen:
- Eisen (Fe)
- Nickel (Ni)
- Cobalt (Co)

Hinweis: Oft erhalten wir die Frage, ob Edelstahl oder Aluminium ferromagnetisch sind, also von einem Magneten angezogen werden.

Aluminium gehört zu den paramagnetischen Metallen und wird nur sehr schwach von einem Magnet angezogen, sodass es nicht geeignet ist, um einen Magnet daran haften zu lassen.

Bei Edelstahl lässt sich diese Frage nicht pauschal beantworten, da es viele verschiedene Arten und Zusammensetzungen von Edelstahl gibt. Sofern es sich um ferromagnetischen Edelstahl handelt, nennt man diesen auch ferritischen Stahl. Meisten nicht ferromagnetisch ist im Gegensatz dazu der austenitische Stahl.

Hinzu kommen noch einige seltenen Erden, die aber teilweise erst bei deutlich tieferen Temperaturen ferromagnetisch sind. Bei Raumtemperatur sind diese lediglich paramagnetisch (siehe Erklärung unten). Sie werden daher nur sehr schwach von Magneten angezogen:
- Terbium (Tb)
- Erbium (Er)
- Gadolinium (Gd)
- Holmium (Ho)
- Dysprosium (Dy)

Ferromagnetismus

Ferromagnetische Stoffe (Eisen, Kobalt, Nickel bei Raumtemperatur, bzw. spezielle Legierungen) sind Stoffe, die in einem externen Magnetfeld eine spontane Magnetisierung zeigen und dadurch vom Magnetfeld angezogen werden. Hierbei werden im ferromagnetischen Material schon vorhandene gleichgerichtetete Elementarmagnete durch das externe Magnetfeld ausgerichtet. Bei Abschalten des externen Magnetfeldes oder Entfernen des ferromagnetischen Materials aus dem Magnetfeld, verschwindet die Ausrichtung der Elementarmagnete bis auf eine Restmagnetisierung (Remanenz). Bei magnetisch weichen Materialien ist diese Remanenz sehr klein. Bei magnetisch harten Materialien kann eine beträchtliche Remanenz zurückbleiben (siehe auch Hysterese von Magneten).
Die eigentliche Ursache des Ferromagnetismus ist genaugenommen klassisch nicht zu beschreiben, vielmehr benötigt man hierzu die Quantenmechanik, genauer die sogenannte Austauschwechselwirkung, welche für die  Parallelausrichtung der Elektronenspins in ferromagnetischen Materialien verantwortlich ist. Da sich jedoch Elektronen mit gleichem Spin im Ortszustand unterscheiden müssen (Pauli-Prinzip), geht eine Gleichrichtung der Spins mit einer Erhöhung der kinetischen Energie einher. Nur wenn die Absenkung der potenziellen Energie durch die Austauschwechselwirkung die Erhöhung der kinetischen Energie übertrifft, kann es also zur Gleichrichtung der Elektronenspins als Träger der magnetischen Momente und damit zur ferromagnetischen Eigenschaft des Materials kommen. Dies ist der Grund, warum die überwiegende Anzahl der bekannten chemischen Elemente keinen Ferromagnetismus aufweist. Als reine chemische Elemente weisen, wie schon erwähnt, bei Raumtemperatur nur Eisen, Kobalt und Nickel diese ferromagnetische Eigenschaft auf.
Im Gegensatz dazu weisen alle Elemente und Stoffe sogenannte diamagnetische Eigenschaften auf.

Paramagnetismus

Bei paramagnetischen Stoffen werden durch ein externes Magnetfeld die ohne Ordnung vorhandenen magnetischen Momente der Moleküle teilweise ausgerichtet. Der Grad der Ausrichtung und damit das induzierte Magnetfeld ist proportional zum angelegten Magnetfeld (Magnetische Permeabilität >1), allerdings verschwindet dieses Feld unmittelbar nach Abschalten des externen Magnetfeldes.
Paramagnetische Stoffe werden wie ferromagnetische Stoffe in den Bereich höherer Feldstärke gezogen also in das Magnetfeld hinein.
Der Paramagnetismus ist jedoch deutlich schwächer als der Ferromagnetismus.
Paramagnetismus gibt es nur bei Elementen/Molekülen mit ungepaarten Elektronen und einem magnetischen Moment.
Die ursächliche physikalische Erklärung liefern wieder quantenmechanische Vorgänge.

Diamagnetismus

Diamagnetismus tritt bei allen Elementen und Stoffen auf. Da der Diamagnetismus jedoch um Größenordnungen schwächer ist als Ferro- und Paramagnetismus ist er messbar nachweisbar nur bei den Stoffen, die keinen Ferro- und Paramagnetismus aufweisen.
Diamagnetische Stoffe werden aus einem Magnetfeld herausgedrängt in Richtung geringerer Feldstärke. Diamagnete sind durch eine magnetische Permeabilität <1 (negative magnetische Suszeptibilität). Dies bedeutet, dass der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Induzierten und dem äußeren Feld <1 ist.
Zum Vergleich: bei paramagnetischen Substanzen ist er >1, bei Ferromagneten ist der Zusammenhang nicht linear.
Wie der Ferromagnetismus kann der Diamagnetismus nur durch quantenmechanische Effekte erklärt werden.