Als Elementarmagnet wird in einem magnetisierbaren Material die Einheit bezeichnet, die einen magnetischen Dipol feststehender Größe aber variabler Richtung besitzt. Der makroskopisch sichtbare Magnetismus eines Körpers entsteht durch die Summe der Magnetfelder aller darin enthaltenen Elementarmagnete, seine Stärke hängt davon ab, in welchem Ausmaß sich die Elementarmagnete zu einem äußeren Magnetfeld oder zueinander parallel stellen. Sind alle Richtungen gleich häufig, ist der Körper unmagnetisch.
In Festkörpern sind die Elementarmagnete die magnetischen Momente der Atome, welche durch den Spin der Kerne und Elektronen erzeugt werden. In metallischen Festkörpern sind neben den Atomen auch die freien Elektronen als Elementarmagneten zu betrachten. In der Regel sind die Elementarmagnete zufällig ausgerichtet, sodass sich ihre Wirkung aufhebt und kein durch das Material erzeugtes makroskopisches Feld sichtbar ist.
Bringt man ein Material in ein magnetisches Feld, so richten sich die Elementarmagnete in ihm nach der Richtung des Feldes aus. Je nachdem, ob die Elementarmagnete sich in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung zum externen Feld ausrichten, unterscheidet man paramagnetische bzw. diamagnetische Materialien. Bei einem paramagnetischen Material wird das äußere Feld also durch die Elementarmagnete verstärkt, bei einem diamagnetischen Material wird es abgeschwächt.
Materialien, die ihre Magnetisierung auch ohne ein äußeres Magnetfeld behalten, heißen Ferromagneten. In solchen Ferromagneten richten sich die Elementarmagnete von selbst aus. Dabei sind im Allgemeinen nicht alle Elementarmagneten im Material exakt gleich ausgerichtet. Vielmehr bilden sich Gruppen von Elementarmagneten, die sogenannten Domänen oder weissschen Bezirke, in denen die Elementarmagnete gleich ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Elementarmagnete in ferromagnetischen Materialien kann viele Gründe haben, meist spielt jedoch die Austauschwechselwirkung zwischen benachbarten Atomen eine entscheidende Rolle. Die Magnetisierung von Ferromagneten kann z.B. durch Erwärmung über die Curie-Temperatur oder durch mechanische Belastung (Erschütterung) verloren gehen. Wie leicht oder schwer sich die Elementarmagnete in einem Material ausrichten lassen, wird durch die Magnetische Suszeptibilität beschrieben.
Das Verständnis des Verhaltens von Elementarmagneten spielt vor allem für die Datenspeicherung eine große Rolle: Festplatten speichern Daten in Form von verschieden ausgerichteten magnetischen Domänen. Um die Speicherkapazität bei fortschreitender Miniaturisierung weiter zu erhöhen, ist es nötig, die Größe dieser Domänen auf wenige Elementarmagnete zu reduzieren.
Literatur
- Karl-Heinz Hellwege: Einführung in die Festkörperphysik. 3. Auflage. Springer, Berlin 1988, ISBN 3-540-18927-0.
- Siegfried Hunklinger: Festkörperphysik. Oldenbourg, München 2007, ISBN 978-3-486-57562-0.
