Magnetische Permeabilität

Materie in Magnetfeldern

Bislang haben wir uns nur mit der Kraftwirkung zwischen permanentmagnetischen Materialien oder stromdurchflossenen elektrischen Leitern beschäftigt. Wie gesehen sind elektrische Ströme die Ursache für Magnetfelder. Die uns umgebende Materie ist aus Atomen aufgebaut, die ihrerseits wiederum aus positiv geladenen Protonen, Neutronen und negativ geladenen Elektronen bestehen. Bewegte Ladungen erzeugen Magnetfelder und Magnetfelder beeinflussen bewegte Ladungen. Da Elektronen und Protonen nicht fest aneinander kleben, sondern sich vielmehr umeinander bewegen (die wesentlich leichteren Elektronen stärker als die schweren Atomkerne), ergibt sich zwangsläufig eine Wechselwirkung von Atomen mit Magnetfeldern. Die quantenphysikalischen Mechanismen sollen an dieser Stelle außen vor bleiben, beschäftigen wir uns hier nur mit den makroskopischen Auswirkungen.

Magnetische Feldkonstante

Genau wie stromdurchflossene Leiter umgebende Magnetfelder verstärken oder abschwächen können, beeinflusst auch jede Materie diese Felder. Die Maßzahl für diese Beeinflussung ist die magnetische Feldkonstante. Kennengelernt haben wir diese bereits in Formel [3.17] als das Verhältnis zwischen magnetischer Flussdichte B und magnetischer Feldstärke H. Im Vakuum ergibt sich für diese Konstante ein Wert von:

μ₀ = 4 * π * 10^-7 N/A² ≈ 1,2566 * 10^-6 N/A²

Relative Permeabilität

Wie gut oder schlecht sich ein Magnetfeld in verschiedenen Materialien ausbreitet, wird häufig in Relation zu der magnetischen Feldkonstante im Vakuum angegeben. Die relative Permeabilität μ_r - also die Durchlässigkeit für magnetische Felder - wird ausgedrückt als der Quotient aus der Permeabilität des betreffenden Stoffes μ und der magnetischen Feldkonstante μ₀:

[3.22]

Diamagnetische Materialien

Diamagnetische Materialien besitzen eine relative Permeabilität μ_r < 1. Wie wir im Kapitel zur Induktion noch sehen werden, ist jedes Material prinzipiell diamagnetisch. Relative Permeabilität kleiner 1 bedeutet, dass Magnetfelder innerhalb dieses Materials abgeschwächt werden. Entsprechend tritt eine Kraftwirkung in Richtung kleinerer Flussdichten auf. Vereinfacht gesagt: Diamagnetische Materialien werden von Magnetfeldern abgestoßen. Dabei ist es egal, ob ein Magnet mit seinem Süd- oder Nordpol auf den Werkstoff zu bewegt wird.

Paramagnetische Materialien

Paramagnetische Materialien besitzen eine relative Permeabilität μ_r > 1. Die Atome dieser Materialien sind zwar elektrisch neutral, da die Anzahl der Elektronen der der Protonen entspricht, auf Grund der Bewegung der Elektronen um den Atomkern verbleibt jedoch ein magnetisches Moment. In makroskopischen Dimensionen ist bei derartigen Werkstoffen dennoch kein permanentmagnetisches Verhalten feststellbar. Ursache hierfür ist die Tatsache, dass sich die magnetischen Momente nicht parallel zueinander ausrichten, sondern in verschiedene Richtungen verteilen. In ihrer Summe wirkt damit nach außen kein magnetisches Moment.
Bringt man ein derartiges Material in ein ausreichend starkes Magnetfeld, so richten sich die atomaren magnetischen Momente so aus, dass diese parallel zu den Feldlinien des äußeren Feldes verlaufen. Diese Ausrichtung der "Elementarmagnete" bewirkt eine Verstärkung des Magnetfeldes innerhalb des Materials. Die verstärkende Wirkung ist innerhalb paramagnetischer Materialien größer als die prinzipiell ebenfalls ablaufenden Prozesse welche das äußere Magnetfeld schwächen.
Paramagnetische Materialien werden in äußeren Magnetfeldern von Bereichen höherer Flussdichte angezogen. Auch hier ist es egal, ob ein magnetischer Süd- oder Nordpol auf das Material zu bewegt wird.

Ferromagnetische Materialien

Werkstoffe mit einem sehr stark ausgeprägten paramagnetischen Verhalten bezeichnet man als ferromagnetisch. Für diese gilt: μ_r >> 1. Die magnetischen Momente der Atome bzw. Moleküle dieser Stoffe sind sehr ausgeprägt, womit auch die verstärkende Wirkung im Innern des Materials sehr hoch ausfällt.
Ferromagnetische Materialien werden sehr stark in Bereiche höherer magnetischer Flussdichte gezogen. Das bekannteste ferromagnetische Material ist Eisen, von dessen lateinischem Namen (Ferrum) sich auch die Bezeichnung für diese Stoffklasse ableitet.

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