Ferromagnetismus

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Durch Ferromagnetismus wird Eisen von einem Magneten angezogen.
Schematischer Verlauf der magnetischen Induktion B von ferromagnetischen (μf), paramagnetischen (μp) und diamagnetischen Materialien (μd) zu Vakuum (μ0)

Ferromagnetismus (von lateinisch ferrum „Eisen“) ist die Eigenschaft bestimmter Materialien, Elementarmagnete zu enthalten, die parallel zueinander ausgerichtet sein können. Das bedeutet, dass Stücke dieser Materialien entweder selbst ein statisches Magnetfeld verursachen oder vom Magnetpol eines äußeren Magnetfelds angezogen werden. Diese Anziehung ist unabhängig von der Polarität des äußeren Magnetfeldes und wird dadurch verursacht, dass die Richtung der parallel ausgerichteten Elementarmagnete im ferromagnetischen Material so verdreht wird, dass sie parallel zum äußeren Magnetfeld liegt.

Es gibt drei bei Raumtemperatur ferromagnetische Elemente: Eisen, Nickel und Cobalt. Bei tieferen Temperaturen sind einige Lanthanoide ferromagnetisch, so z. B. Gadolinium bei bis zu 19,3 °C. Der Ferromagnetismus ist die im Alltag am deutlichsten zu beobachtende Ausprägung des Magnetismus von Materie. Andere Ausprägungen sind Paramagnetismus und Diamagnetismus.

Ferromagnetische Werkstoffe magnetisieren sich in einem externen Magnetfeld so, dass sich die magnetische Flussdichte in ihrem Inneren im Vergleich zum Außenraum stark erhöht, die Feldlinien im Material also dichter zusammen liegen. Ein ferromagnetischer Körper erfährt – ebenso wie ein paramagnetischer – in einem inhomogenen Magnetfeld eine Kraft hin zum Ort des stärksten Magnetfeldes, er wird zum Beispiel von einem Magneten angezogen. Dadurch entsteht im Gesamtfeld ein energieärmerer Zustand. Es wird mechanische Arbeit verrichtet, die beim Entfernen des angezogenen Körpers aus dem Feld in gleicher Stärke wieder aufgebracht werden muss.

Der Faktor der Flussdichteerhöhung im Vergleich zum leeren Raum wird durch die magnetische Permeabilität µr (bzw. magnetische Suszeptibilität µr – 1) des Materials bestimmt, bei Ferromagneten gilt µr>> 1 (vgl. Paramagnetismus).

Ferromagnetische Materialien sind normalerweise Festkörper. Bekannte Anwendungen dieser Materialien sind u. a. Dauermagnete, Elektromotoren, Transformatoren sowie die diversen Formen magnetischer Datenspeicher (Magnetband, Diskette, Festplattenlaufwerk usw.).

Die Hysterese-Kurve des Ferromagnetismus wird durch Effekte in zwei verschiedenen Größenordnungen verursacht:

Viele Betrachtungen in der theoretischen Festkörperphysik beschränken sich auf den mikroskopischen Aspekt und bezeichnen bereits die Gleichrichtung der Elementarmagnete als Ferromagnetismus. Andererseits treten die Weiss-Bezirke auch bei anderen magnetischen Ordnungen auf.

Einführung[Bearbeiten]

Typische Hysteresekurve ferromagnetischer Systeme:
Die Neukurve (erstmalige Magnetisierung!) ist in Blau, die Verläufe bei wiederholter wechselnder Magnetisierung sind in Grün dargestellt.
Die Remanenz-Magnetisierung und die Koerzitivfeldstärke (die Achsenwerte!) sind gekennzeichnet.

Ein Material wird „ferromagnetisch“ genannt, wenn es in einem externen Magnetfeld eine eigene, vom äußeren Magnetfeld unabhängige, sog. „spontane“ Magnetisierung zeigt. Diese ist also nicht „induziert“, wie bei „diamagnetischem“ oder „paramagnetischem“ Material. Vielmehr bestimmt das externe Magnetfeld nur die Richtung der Elementarmagnete, während deren Betrag davon unabhängig ist. Das externe und das vom ferromagnetischem Material ausgehende Magnetfeld haben i. A. die gleiche Ausrichtung, daher entsteht zwischen dem externen Gegenstand und dem Magneten eine magnetische Anziehungskraft. Ein ferromagnetisches Material wird aus diesem Grund sowohl von magnetischen Nordpolen als auch von Südpolen in gleicher Weise angezogen.

In weichmagnetischen Materialien verliert sich diese Magnetisierung zum größten Teil sofort, wenn der Gegenstand wieder aus dem externen Magnetfeld entfernt wird, insbesondere, nachdem alternierende Felder angelegt wurden. Im Allgemeinen bleibt lediglich ein kleiner Restmagnetismus zurück, die so genannte Remanenz. Es gibt jedoch auch Materialien, bei denen diese Remanenz ziemlich groß ist und eine dauerhafte (permanente) starke Magnetisierung erreicht werden kann. Solche hartmagnetischen Materialien, z. B. gehärteter Stahl, können zu Permanentmagneten magnetisiert werden oder von vornherein als Permanentmagnete existieren, das heißt, eine deutliche erkennbare (makroskopische) Magnetisierung dauerhaft annehmen.

Die Remanenz-Magnetisierung kann durch Anlegen eines magnetischen Gegenfeldes beseitigt werden, was bei Erreichen der Koerzitivfeldstärke geschieht. Bei hartmagnetischen Stoffen ist die Höhe des notwendigen Gegenfeldes dabei größer als bei weichmagnetischen Stoffen. Bei Permanentmagneten ist sowohl eine hohe Remanenz als auch eine hohe Koerzitivfeldstärke erwünscht.

Vom Ferromagnetismus ist der Ferrimagnetismus (z. B. in Ferriten) zu unterscheiden, der makroskopisch zwar ähnliche Eigenschaften hat, mikroskopisch aber mit dem Antiferromagnetismus verwandt ist. Bei ihm sind die Elementarmagnete jeweils wie beim Antiferromagnetismus abwechselnd entgegengesetzt gerichtet, in den zwei Richtungen jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt, weshalb – anders als beim Antiferromagnetismus – für jedes Paar eine Magnetisierung verbleibt.

Stoffe mit ferromagnetischen Eigenschaften[Bearbeiten]

Substanz T_{\mathrm{C}} in K
Co 1395
Fe 1033
Ni 627
CrO2 390
Gd 289
Tb 219
Dy 85
EuO 70
Ho 20
Er 19

Unter den Elementen bzw. Metallen in Reinform weisen Eisen, Cobalt und Nickel bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf. Bei tieferen Temperaturen (siehe Tabelle) werden auch die Lanthanoide Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium und Erbium ferromagnetisch.

In der Praxis verwendet man häufig ferromagnetische Legierungen wie z. B. AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 („Permalloy“), oder NiFeCo-Legierungen („Mumetall“). Bemerkenswert ist, dass unter bestimmten Umständen auch einige Verbindungen im Allgemeinen nicht ferromagnetischer Elemente ferromagnetisches Verhalten aufweisen, beispielsweise Chromdioxid, Manganarsenid, Europium(II)-oxid oder die suprafluide A-1-Phase von He-3, ferner die sog. Heusler-Legierungen.

Ebenfalls bemerkenswert ist, dass der bekannteste ferromagnetische Stoff, Eisen, als Hauptbestandteil einer austenitischen Legierung nicht ferromagnetisch wirkt. Austenitische Gefüge sind Bestandteil vieler nichtrostender Stähle und von Edelstahl-Sorten. (Eisen kristallisiert bei Zimmertemperatur im kubisch-raumzentrierten Gitter. Austenitische Legierungen sind dagegen überwiegend flächenzentriert.)

Generell ist das Vorhandensein ferromagnetischer Eigenschaften davon abhängig, dass in der Elektronenkonfiguration des Grundzustandes des fraglichen Metalls oder der Verbindung ungepaarte Elektronen vorhanden sind, was im Wesentlichen nur bei Übergangsmetallen und Seltenen Erden vorkommt.

Ferromagnetismus tritt normalerweise nur im festen Aggregatzustand auf, weil die Curie-Temperatur dieser Materialien niedriger als die Schmelztemperatur ist. Ferromagnetismus wurde allerdings auch in einer unterkühlten Schmelze beobachtet.[1] Ferrofluide sind Suspensionen von festen magnetischen Teilchen in einer nicht magnetischen Flüssigkeit.

Physikalischer Ursprung[Bearbeiten]

Drei Beispiele für eine ferromagnetische Ordnung einer linearen Kette magnetischer Momente.

Träger der elementaren magnetischen Momente sind die Elektronenspins. Wie bei anderen kooperativen magnetischen Phänomenen ist auch beim Ferromagnetismus die magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung viel zu schwach, um für die Ordnung der Spins verantwortlich zu sein. Sie hat aber, im Gegensatz zur Austauschwechselwirkung (siehe unten), sehr große Reichweite und ist deshalb trotzdem für die Anwendungen wichtig. Bei der ferromagnetischen Ordnung kommt noch hinzu, dass die parallele Ausrichtung magnetischer Momente für die Dipol-Dipol-Wechselwirkung energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die quantenmechanische Austauschwechselwirkung, die mit der Existenz von Singulett- und Triplett-Zuständen bei Zwei-Elektronen-Systemen zu tun hat und mit dem Pauli-Prinzip zusammenhängt. Es handelt sich also um ein echt nicht-klassisches Phänomen, das nicht einfach zu verstehen ist:

Im Detail muss nach dem Pauli-Prinzip für eine antisymmetrische Ortswellenfunktion die zugehörige Spinwellenfunktion symmetrisch sein (z. B. bei parallelen Spins im Zwei-Elektronen-System). Man kann zeigen, dass der durchschnittliche Abstand der beiden Teilchen bei einer antisymmetrischen Ortswellenfunktion größer ist und damit für Teilchen gleicher Ladung deren Coulomb-Abstoßung geringer. Die Austauschwechselwirkung bewirkt hier also eine effektive Absenkung der potentiellen Energie. Andererseits können sich die Elektronen mit parallelem Spin nach dem Pauli-Prinzip nicht im selben Ortszustand befinden und müssen sukzessive höhere Niveaus besetzen, wodurch ihre kinetische Energie zunimmt. Die spontane Parallelstellung der Spins und damit eine ferromagnetische Ordnung wird also nur zustande kommen, wenn die Absenkung der potentiellen Energie die Erhöhung der kinetischen Energie überkompensiert. Das ist der Grund, weshalb nur die wenigen genannten Materialien ferromagnetisch sind, die breite Mehrheit aber nicht.

Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit vom relativen Atomabstand zeigt, z. B. für die gängigen Metalle (Cr, Mn, Fe, Co, Ni). Der relative Atomabstand ist hierbei das Verhältnis des Atomabstandes der benachbarten Atome zum Durchmesser der nicht abgeschlossenen Elektronenschale.

In einem Satz:

Die Ordnung der magnetischen Momente wird durch die (quantenmechanische) Austauschwechselwirkung vermittelt, nicht durch (klassische) magnetische Wechselwirkung.[2]

Die magnetische Leitfähigkeit \mu = \mu_0 (1 + \chi) und damit die Magnetische Suszeptibilität \chi ist bei Ferromagneten nicht konstant, sondern eine komplizierte Funktion der angelegten Feldstärke und von der Magnetisierungs-Vorgeschichte abhängig. Meist wird daher die (differentielle) magnetische Suszeptibilität \chi als Ableitung der Magnetisierung nach der Feldstärke betrachtet. Sie verschwindet im Sättigungsbereich.

Für den Zusammenhang zwischen Magnetisierung  \vec M und magnetischer Flussdichte  \vec B gilt im übrigen die Beziehung

\vec B = \mu \vec H = \mu_0 (\vec H + \chi \vec H) = \mu_0 (\vec H + \vec M) .

Weiss-Bezirke, Domänen und Domänenwände[Bearbeiten]

Hauptartikel: Weiss-Bezirk
Magneto-optische Aufnahme der magnetischen Phasen, Korngeometrien und Domainorientierungen in nicht kornorientem Transformatorenblech (Aufnahme mit Hilfe eines magneto-optischen Sensors und Polarisationsmikroskopes).
Elektromagnetische dynamische Domänenuntersuchung von Transformatorenblech (kornorientiert)

Ferromagnetismus entsteht dadurch, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen, die durch die Wechselwirkung der Momente untereinander auch ohne äußeres Magnetfeld bestehen bleibt. Die Bereiche gleicher Magnetisierung werden Domänen oder Weiss-Bezirke genannt. Sie treten in Größen von 0,01 µm bis 1 µm auf und sind im unmagnetisierten Zustand der Substanz nicht einheitlich orientiert.

Die Austauschwechselwirkung wirkt nur zwischen Fermionen, deren Wellenfunktionen eine wesentliche Überlappung aufweisen, in der Regel also nur zwischen nahegelegenen Teilchen. Die magnetische Wechselwirkung wirkt hingegen auch zwischen weit entfernt liegenden magnetischen Momenten. Daher übersteigt in einem ausgedehnten Ferromagneten der magnetische Energieaufwand irgendwann den Energiegewinn der Austauschwechselwirkung. Die ferromagnetische Ordnung des Festkörpers zerfällt dann in unterschiedlich orientierte Domänen. Die Bereiche des Festkörpers, in denen unterschiedlich orientierte Domänen aufeinandertreffen, heißen Domänenwand. Je nach Drehung der Magnetisierung in der Wand spricht man von Bloch-Wänden oder Néel-Wänden (bei Blochwänden erfolgt die Drehung der Magnetisierung in der Senkrechten zur Wandebene; bei Néelwänden erfolgt sie dagegen innerhalb der Wandebene; Néelwände dominieren nur bei sehr dünnen magnetischen Schichten). Daneben gibt es auch andere Wand-Typen mit topologischen Singularitäten, sog. Blochlinien und Blochpunkten, die mit Änderungen des Drehverhaltens innerhalb der Wand verbunden sind. Diese Unterschiede, die sich im 10-Nanometer-Bereich bewegen können, sind subtil, aber für aktuelle Anwendungen in der Informationstechnologie interessant.

Die Ausbildung der Domänenwand erfordert die Verrichtung von Arbeit gegen die Austauschwechselwirkung; die Verkleinerung der Domänen (des Volumens einer zusammenhängenden Domäne) reduziert die magnetische Energie eines Festkörpers.

Aufgrund der nicht-kontinuierlich erfolgenden Ausrichtung der Weiss-Bezirke unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder können sog. Barkhausen-Sprünge beobachtet werden.

Die magnetische Ordnung wird bei hohen Temperaturen aufgebrochen, die Ferromagnete sind dann nur noch paramagnetisch. Die Temperatur, oberhalb derer die ferromagnetische Ordnung verschwindet, wird als Curie-Temperatur T_{\mathrm{C}} (nach Pierre Curie, dem Gatten von Marie Curie) bezeichnet. Die Suszeptibilität lässt sich oberhalb der Curie-Temperatur nach dem Curie-Weiss-Gesetz berechnen. Der Paramagnetismus bleibt für alle Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur erhalten, selbst nach Übergang des Festkörpers in die Flüssigkeits- oder Gasphase.

Sättigung[Bearbeiten]

Material Flussdichte in Tesla, bei der
die magnetische Sättigung einsetzt
Stahl "1.3505" 0,5
Stahl "C15" 0,45
Cobalt-Eisen (Fe mit 47 bis 50 % Co) 2,35
Silicium-Eisen (Fe mit 3 bis 4 % Si) 1,5 bis 2
Nickel-Eisen (Fe mit 30 bis 50 % Ni) 1,2 bis 1,5
Ferrit (MnZn) 0,4
Ferrit (NiZn) 0,2
Magnetisierungskurven von neun ferromagnetischen Stoffen mit Darstellung des Sättigungsbereiches. 1. Stahlblech, 2. Siliziumstahl, 3. Gussstahl, 4. Wolframstahl, 5. Magnetstahl, 6. Gusseisen, 7. Nickel, 8. Cobalt, 9. Magnetit

Unter Sättigungsmagnetisierung versteht man jene Magnetisierung M, bei der in einem meist ferromagnetischen Stoff eine Erhöhung der äußeren magnetischen Feldstärke H keine Erhöhung der Magnetisierung des Stoffes mehr bewirkt.[3] Dieser hat einen konstanten, materialspezifischen „Sättigungswert“ erreicht. Anders ausgedrückt wird die (differentielle) magnetische Suszeptibilität \chi als Ableitung der Magnetisierung nach der Feldstärke betrachtet. Sie verschwindet im Sättigungsbereich.

Eine besonders gute Leitfähigkeit für den magnetischen Fluss \Phi ist die wesentliche Eigenschaft vor allem ferromagnetischer Werkstoffe wie beispielsweise Weicheisen, Dynamoblech oder bestimmter Ferrite. Dies begründet den Einsatz dieser Werkstoffe, wo es auf die räumliche Führung von magnetischen Flüssen ankommt, beispielsweise in Eisenkernen von Transformatoren. Durch eine Steigerung der magnetischen Feldstärke in diesen Materialien wird der Bereich der Sättigungsmagnetisierung erreicht, wo es zu einem starken Abfall der magnetischen Leitfähigkeit kommt. Die magnetische Sättigung ist bei diesen technischen Anwendungen daher meist unerwünscht.

Trägt man bei einem Werkstoff die magnetische Flussdichte B gegenüber der von außen aufgebrachten magnetischen Feldstärke H in einem Diagramm auf, ergibt sich die Hysteresekurve (Magnetisierungskurve). Die Abflachung der Steigung kennzeichnet dabei anschaulich den Beginn der Sättigungsmagnetisierung.

Praxisbezüge der Sättigung[Bearbeiten]

  • Geophysik: Identifizierung von Materialien durch Ermittlung der spezifischen Curie-Temperatur, indem man die Abhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung von der Temperatur bestimmt.
  • In technischen Anwendungen wie Transformatoren oder Elektromotoren ist die magnetische Sättigung des Kerns unerwünscht und führt zu einem massiven Abfall des Wirkungsgrades und der übertragenen Leistung. (Eine Ausnahme bildet der Reluktanzmotor, bei dem diese Sättigung angestrebt wird, um den Leistungsfaktor zu erhöhen). Um eine Sättigung zu vermeiden, müssen magnetische Kerne in Transformatoren und Elektromotoren eine entsprechende Mindest-Querschnittsfläche aufweisen.
  • In magnetischen Spannungsreglern wird die magnetische Sättigung eines Transformatorkerns genutzt, um kurzzeitige Schwankungen in problematischen Stromnetzen zu stabilisieren.
  • Durch Einfügung eines Luftspaltes (senkrecht zum Magnetfluss) in einem geschlossenen Spulenkern lässt sich die Sättigung eines beliebigen ferromagnetischen Kernmaterials verhindern bzw. stark mindern. Allerdings sinkt die wirksame Induktivität stark im Vergleich zum spaltlosen Spulenkern. Anwendung fand diese Maßnahme z. B. früher bei gleichstromdurchflossenen NF-Übertragern bei den klassischen Röhren-A-Endstufen.

Hysterese[Bearbeiten]

Harte Hysteresekurve eines EI-Transformator-Eisenkerns mit Luftspalt und relativ großer koerzitiver Feldstärke
Weiche Hysteresekurve eines Transformator-Eisenkernes ohne Luftspalt (Ringkern) mit kleiner koerzitiver Feldstärke

Der Begriff Hysterese (griech.: hysteros = hinterher, später) charakterisiert ein System, dessen veränderliche Ausgangsgröße nicht allein von der Eingangsgröße abhängig ist, sondern auch von deren Verlaufsgeschichte. Ein solches Hystereseverhalten tritt auch bei ferromagnetischen, magnetisch leitfähigen Stoffen wie Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen auf. Erhöht man die magnetische Feldstärke H in einem vorher nicht magnetisierten ferromagnetischen Stoff, erhöht sich in dessen Umgebung die magnetische Flussdichte B. Verringert man die Feldstärke wieder auf Null, bleibt die magnetische Flussdichte auf einem Wert ungleich Null stehen. Der ferromagnetische Stoff behält etwas Restmagnetismus zurück (Remanenz). Die magnetische Flussdichte hängt nicht nur von der magnetischen Feldstärke ab, sondern auch von deren zeitlichem Verlauf.

Die magnetische Flussdichte B in einem ferromagnetischen Stoff wird von der Stärke des umgebenden Magnetfeldes (H) bestimmt. Wird H genügend erhöht, steigt B wegen der Sättigung von B nur noch sehr geringfügig an. Geht das äußere Magnetfeld zurück, so nimmt die Flussdichte wieder ab. Die magnetische Flussdichte erreicht bei dem gleichen Wert einer Feldstärke, die im Abnehmen begriffen ist, einen höheren Wert als er während des Zunehmens der Feldstärke auftrat. Wird H gänzlich auf Null gesenkt, geht B nicht auf Null zurück, sondern nur bis zur sogenannten Remanenz B_R. Um die Magnetisierung wieder auf Null zu bringen, muss daher ein entgegengesetztes Magnetfeld mit der Koerzitivfeldstärke -H_\mathrm{C} aufgebaut werden. Da noch ein äußeres Magnetfeld anliegt, spricht man hier noch nicht von Entmagnetisierung, für die vielmehr mehrere Schritte notwendig sind. Ein erneutes Umkehren der Feldstärke von H führt dazu, dass der untere Ast der Hysteresekurve durchlaufen wird. Dieser Hysteresevorgang lässt sich gut am Verlauf der Hysteresekurve oder Hystereseschleife verdeutlichen. Ein vollständiges Durchlaufen der Hysteresekurve wird als Hysteresezyklus bezeichnet. Die Hysteresekurve ist punktsymmetrisch zum Ursprung.[4] Nur ein in der Amplitude abklingendes magnetisches Wechselfeld führt durch die allmähliche Annäherung der Hysteresezyklen an den Nullpunkt zur vollständigen Entmagnetisierung.

Die Ursache für das Verhalten sind die sogenannten Weiss-Bezirke. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Spins der Elektronen, die als Elementarmagnete aufgefasst werden können, innerhalb eines Bezirks parallel zueinander sind. Die Grenzen zwischen den Bezirken heißen Bloch-Wände.[5] Wird nun ein äußeres Magnetfeld angelegt, so wachsen die Bezirke, deren Orientierung der Ausrichtung des Magnetfeldes entspricht, auf Kosten der anderen Bezirke, indem Elektronen in den anderen Bezirken „umklappen“, sich also parallel zum Magnetfeld ausrichten. Anschaulich entspricht das einer Verschiebung der Bloch-Wände.

Störstellen, die in jedem Ferromagnetikum existieren, (in Eisen z. B. Kohlenstoffeinschlüsse) verhindern jedoch, dass das Verschieben der Bloch-Wände gleichmäßig verläuft. Wenn eine Bloch-Wand beim Verschieben auf eine Störstelle trifft, so bleibt sie zuerst an ihr hängen, und es bildet sich hinter der Störstelle eine Art Blase, in der die Spins der Elektronen noch nicht umklappen. Erst ab einer bestimmten Feldstärke schließt sich diese Blase, was zu einer plötzlichen Änderung der Magnetisierung führt. Dieser Vorgang wird Barkhausen-Sprung genannt. Durch diese ungleichmäßigen Wandverschiebungen wird eine Entmagnetisierung entlang der Neukurve unmöglich. Sie sind der Grund für das Entstehen der Hysteresekurve.
Wenn alle Elektronenspins im Ferromagnetikum an dem Feld ausgerichtet sind, ist die Sättigung erreicht. Wird nun das äußere Feld entfernt, kehren nicht alle Elektronen zur ursprünglichen Ausrichtung zurück. Die Magnetisierung sinkt bis auf das Remanenz-Niveau ab. Erst durch die Zufuhr zusätzlicher Energie kann der Stoff wieder entmagnetisiert werden. Stoffe mit hoher Remanenz sind nicht zwingend hartmagnetisch. Hartmagnetische Stoffe (Dauermagnete) benötigen eine hohe Koerzitivfeldstärke. Die Remanenz in einem Transformatorkern ist weniger vom Kernmaterial abhängig, sondern hängt stark von der Bauform des Kernes ab: Ein Ringkerntransformator-Kern hat eine sehr hohe Remanenz, weil keinerlei Luftspalte im Magnetkreis liegen. Ein Transformator mit technologisch bedingten oder absichtlich eingebauten Luftspalten hat dagegen durch Scherung (Neigung) der Hysteresekurve eine geringe Remanenz, obwohl das Kernmaterial selbst eine hohe Remanenz besitzen kann.

Typisch für die Hysterese ist das Auftreten von bistabilem Verhalten. Bei gleichen Umgebungsbedingungen ist der Zustand von der Vergangenheit, der wirkenden Spannungszeitfläche vor dem Ausschalten, abhängig. Entsprechend wird ein bestimmter Punkt im Zustandsdiagramm erreicht.

Unter Berücksichtigung der Form der Hystereseschleife kann man einen Stoff gezielt aufmagnetisieren. Entsprechende Verfahren finden Anwendung bei der Herstellung von Dauermagneten oder beim Beschreiben von magnetischen Speichermedien (Magnetband, Festplatte, Kernspeicher).

Hystereseverluste[Bearbeiten]

Wenn Materialien ummagnetisiert werden, muss Energie für die Änderung der Ausrichtung der Weiss-Bezirke aufgewendet werden. Dieses Drehen verursacht Wärmeentwicklung im Material. Die Verluste sind im Allgemeinen proportional zu der Fläche innerhalb der Hysteresekurve und der Frequenz, mit der ummagnetisiert wird. Dabei ist zu beachten, dass die Hysteresekurve nicht statisch festliegt, sondern sich mit wachsender Frequenz bis zu einem Oval verengt.

Die von der Hysteresekurve eingeschlossene Fläche entspricht der Energie, die im Stoff bei seiner vollständigen Ummagnetisierung in Wärme umgewandelt wird. Bei elektromagnetischen Bauteilen macht sie sich als „Ummagnetisierungsverlust“ bzw. zusätzlicher Energieaufwand bemerkbar. Dieses Integral sollte im Fall von Speichermedien möglichst hoch sein. Im Fall von Kernen von Transformatoren sollte es möglichst klein sein, um nur geringe Energieverluste zu verursachen. Für andere Zusammenhänge gilt das in ähnlicher Weise.

Harte und weiche Ferromagneten[Bearbeiten]

Im Falle hoher Koerzitivfeldstärken spricht man von magnetisch hartem Material, da zu ihrer Neuorientierung hohe Feldstärken benötigt werden. Bei Speichermedien entspricht dies einer hohen Datensicherheit, da die geschriebenen Informationen nicht durch zufällige Streufelder umorientiert werden. Bei geringen Koerzitivfeldstärken spricht man dagegen von magnetisch weichem Material. Die Bezeichnungen rühren daher, dass reines (also weiches) Eisen im Vergleich zu magnetischen Stählen eher weichmagnetisch ist. Sehr weichmagnetisch ist das oben erwähnte Permalloy, Ni80Fe20. Durch Zulegieren von 5 % Molybdän erhält man das extrem weichmagnetische Supermalloy, mit dem man Räume so abschirmt, dass man die extrem schwachen Magnetfelder von Hirnströmen messen kann. Sehr weichmagnetisch sind auch die sog. metallischen Gläser auf Eisen- oder Kobaltbasis, amorphe Legierungen, die in der Struktur flüssigen Metall-Legierungen nahe dem Schmelzpunkt ähneln.

Praxisbezüge der Hysterese[Bearbeiten]

  • Der Verlauf und die Form einer Hysteresekurve wird nicht nur durch Eigenschaften des Material des Magnetfeldleiters (wie zum Beispiel Verlustarmut, Kornorientierung und deren Ausrichtung zu den Feldlinien), sondern auch stark durch seine Bauform, vor allem mit oder ohne Luftspalte beeinflusst.
  • Bei den früher üblichen Kernspeichern der Computer wurden Speicherringe, die häufig ihren Zustand wechselten, warm und reagierten anders auf die Stromimpulse als Speicherringe, die selten angesprochen wurden. Abhilfe war eine kräftige Umwälzung der Luft, damit alle Kerne möglichst gleiche Temperatur hatten.
  • In vielen Anwendungen werden kleine Hysteresezyklen um Punkte in der B-H-Fläche gefahren; siehe auch Kleinsignalverhalten. Aufgrund der von der Magnetisierung abhängigen Permeabilität weisen Zyklen nahe dem Ursprung eine höhere Permeabilität auf.
  • Wichtig ist die Hysterese-Eigenschaft beispielsweise in der Audiotechnik bei der Aufnahme auf Tonband (siehe Tonband, Vormagnetisierung).
  • Für das Verständnis sowie die Auslegung und Berechnung von Transformatoren ist die Kenntnis des Hystereseverhaltens des Kernmaterials grundlegend wichtig.
  • Wenn Materialien ummagnetisiert werden, muss Energie für die veränderte Ausrichtung der Weiss-Bezirke aufgewendet werden. Dieses Drehen verursacht Wärme im Eisen (Hystereseverluste).
  • Diese Hystereseverluste spielen beispielsweise bei Induktionskochfeldern eine Rolle, wo bei ferromagnetischen Töpfen 1/3 der Heizleistung durch Hysterese erbracht wird.

Anwendungen[Bearbeiten]

Ferromagnetische Werkstoffe weisen eine hohe Permeabilität mit \mu_r \gg 1 auf. Dadurch werden die magnetischen Feldlinien gut im Vergleich zum umgebenden Material (etwa Luft mit \mu_r \approx 1) geleitet. Deshalb finden ferromagnetische Werkstoffe etwa in Elektromagneten und Transformatoren Verwendung.

Weitere Anwendungen (z. B. in elektronischen Speichermedien) sind derzeit vor allem im Zusammenhang mit den Informationstechnologien aktuell, z. B. der sog. GMR und der TMR, wobei es bei den Anwendungen um Leseköpfe bei magnetischen Festplatten geht. Dafür wurde 2007 der Physik-Nobelpreis vergeben, und zwar an Peter Grünberg aus Jülich und Albert Fert aus Paris.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage. Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4.
  • Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1982, ISBN 3-446-13553-7.
  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9.
  • Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Vorlesungen über Physik, Band 2. 3. Auflage. Oldenbourg Verlag, München/Wien 2001, ISBN 3-486-25589-4
  • Charles Kittel: Introduction to Solid State Physics 1. Ausgabe 1953 bis 14. Ausgabe 2005, ISBN 0-471-41526-X (dt.: Einführung in die Festkörperphysik. Oldenbourg, ISBN 3-486-57723-9), siehe besonders das Kapitel über Magnetismus.

Einzelnachweise und Fußnoten[Bearbeiten]

  1. D. Platzek, C. Notthoff et al.: Liquid metal undercooled below its Curie temperature. In: Applied Physics Letters. 65, 1994, S. 1723. doi:10.1063/1.112898.
  2. Die Unmöglichkeit einer klassischen Erklärung des Ferromagnetismus wurde (unabhängig voneinander!) bereits 1911 bzw. 1921 von Niels Bohr bzw. Hendryka Johanna van Leeuwen in ihren jeweiligen Dissertationen bewiesen (veröffentlicht in Niels Bohr, Studier over Metallernes Elektrontheori, Københavns Universitet, 1911; bzw. Hendrika Johanna van Leeuwen, Problèmes de la théorie électronique du magnétisme, Journal de Physique et le Radium, 1921, Vol. 2 No. 12, p. 361); siehe auch den Artikel Bohr-van-Leeuwen-Theorem. Eine erste quantenmechanische Erklärung des Phänomens, das sog. Heisenberg-Modell, wurde erst 1928 von Werner Heisenberg gegeben.
  3. Genau genommen gibt es bei starkem Magnetfeld noch eine kaum beobachtbare, sehr schwache Zunahme der Sättigungsmagnetisierung, den sog. „magnetischen Para-Effekt“, \Delta M_s\propto \sqrt{\,H}, siehe H. Kronmüller and S. Parkin, Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, 2007
  4. Wachstum, Mikrostruktur und hartmagnetische Eigenschaften von Nd-Fe-B-Schichten, S.13, Google Books
  5. In sehr dünnen Schichten treten stattdessen die sog. Néel-Wände auf, siehe unten.