Bevor wir auf Materie im Magnetfeld eingehen, stellt sich doch allmählich eine Frage:
Die Antwort müsste „eigentlich“ mittlerweile jedem sofort einfallen, oder?
- Ströme sind bewegte Ladungsträger.
- Magnetfelder werden von bewegten Ladungsträgern erzeugt.
- Die den Atomkern umkreisenden Elektronen sind dann ebenfalls Kreisströme, die kleinste magnetische Felder erzeugen.
- Die Rotation der Elektronen um ihre eigene Achse, der Spin, erzeugt ebenfalls kleinste magnetische Wirkungen.
- Bei einem Dauermagneten heben sich diese magnetischen Wirkungen nicht gegenseitig auf.
Zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften verschiedene Materialien wurde mit Gln. 12.2.3 die Permeabilität μ = μr ⋅ μ0 mit der relativen Permeabilitätszahl
 | (12.4.1) |
verwendet. Die Verhältniszahl μ ist mit Materie keine Konstante, sondern ein Maß für die Steigung der Hysteresekurve19 B = f(H) und es gilt
 | (12.4.2) |
μr = 1 + Δ. Beispiel: Aluminium μr = 1,000 020 8
μr = 1 − Δ, Beispiel: Kupfer μr = 0,999 990 4
180 000 ≥ μr ≥ 100, Beispiel: Eisen, Stahl, Permalloy, Hyperm
→ Sie haben aufgrund einer Verstärkung des Magnetfeldes die größte technische Bedeutung.
Eisen enthält kleine Bereiche, sogenannte Weißsche ␣Bezirke, in denen eine einheitliche Orientierung des magnetischen Feldstärkevektors vorliegt wie in Abb. 12.4.1 dargestellt , der sich aber im angrenzenden Bezirk nicht fortsetzt.20
→ Oberhalb der Curie Temperatur21 hört der Ferromagnetismus auf und die Weißschen Bezirke lösen sich auf.
Ferromagnetisches Material verhält sich in einem äußeren Magnetfeld:
- Kein Feld: Nach außen erscheint das Material unmagnetisch, Abb. 12.4.1 .
- Kleines Feld: Die Gebiete mit einer parallelen Feldrichtung
zu H werden vergrößert.
→ Es tritt eine Wandverschiebung ein.
- Großes Feld: Ganze Bezirke springen in die Richtung des
äußeren Feldes um.
→ Verstärker: Der magnetische Fluss nimmt stark zu.
- Sättigung: Nachdem alle Bezirke parallel zum äußeren
Feld sind, kann eine Erhöhung von B nur nach der
Beziehung B = μ0H erfolgen.
→ Eine gesättigte Spule mit Eisenkern verhält sich wie eine mit Luftkern, also linear da μ0 = const. ist.
Die Aufnahme der vollständigen Magnetisierungskurve nach Abb. 12.4.2 ermöglicht es, auch die Induktion bei Feldumkehr und Verkleinerung zu messen.
→ In der Praxis führt die auftretende Hysterese zu Messproblemen. Daher wird z.B. die Neukurve mit einem Wechselfeld unterschiedlicher Amplitude gemessen, bei dem der Umkehrpunkt stets auf der Neukurve liegen muss22.
Die Induktion steigt (z.B. bei einem Eisenkern) anfangs sehr stark und geht dann in Sättigung über → Kurve I in Abb. 12.4.3 .
Nach Rücknahme des Feldes bleibt auch für H=0 eine Induktion Br, die Remanenz, bestehen → das Eisen ist ein Permanentmagnet geworden → Kurve II.
Bei Steigerung der Feldstärke in entgegengesetzter Richtung wird bei der Koerzitivfeldstärke −Hc die Induktion zu Null. Bei weiterer Steigerung der Feldstärke erfolgt Sättigung in negativer Richtung → Kurve III.
Eine weitere Feldumkehr und Steigerung führen zur Remanenz −Br und zur Koerzitivfeldstärke Hc, wonach die Kurve in den ersten Sättigungspunkt einläuft → Kurve IV und V.
Der Zusammenhang B = f(H) ist eine charakteristische Eigenschaft der verschiedenen Eisensorten. Er muss dem Anwender eines magnetischen Kreises (z.B. Relais) vom Hersteller zur Verfügung gestellt werden.
→ Die Magnetisierungskurve B = f(H) wird auch Hysteresekurve genannt23.
Für Permanentmagnete ist eine möglichst große von der Hysteresekurve24 eingeschlossene Fläche wünschenswert (siehe Abb. 12.4.4) → große Magnetisierungsdichte.
Für Anwendungen in Transformatoren, Motoren und Generatoren wird Dynamoblech verwendet, welches eine sehr kleine eingeschlossen Fläche besitzt → kleine Ummagnetisierungsverluste.
Bei EDV-Material wird eine geringe Mindestfeldstärke zum Schreiben gewünscht → Energieersparnis und eine große Remanenz → hohe Fehlersicherheit.
Die Energiedichte w = ΔH ⋅ ΔB des Material entspricht der von der Hysteresekurve eingeschlossenen Fläche.
→ Die gesamte gespeicherte magnetische Energie ergibt sich bei räumlich konstanter Dichte w durch Multiplikation mit dem vom magnetischen Fluss durchsetzten Volumen V .
Wiederherstellen des unmagnetischen Zustandes, bei dem nach außen keine messbare magnetische Vorzugsrichtung vorhanden ist. Dazu gibt es verschiedene Verfahren:
- Durch Erhitzen über den Curiepunkt25 werden wieder ungeordnete Gitterschwingungen möglich, so dass der Magnetismus verschwindet.
- Die Entmagnetisierung kann im elektrischen Wechselfeld
mit einer Luftspule
erfolgen, die mit einer Wechselspannung betrieben wird.
Die maximale Feldstärke sollte das Material bis zur
Sättigung magnetisieren können.
→ Durch eine Reduktion der Feldstärke (Entfernen des Materials von der Spule oder Reduzierung des Stromes) wird die von der Magnetisierungskurve umschlossenen Fläche immer kleiner und schließlich bis auf Null reduziert.
→ Praxis: Entmagnetisieren von Tonköpfen und Bildröhren26!