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Hysterese in ferromagnetischen Materialen - BH-Kurve

Bei ferromagnetischen Materialen wird von Hysterese gesprochen, diese ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt. Auf der X-Achse ist die magnetische Feldstärke H und auf der Y-Achse der Magnetisierungsgrad B abgebildet. Wenn es kein magnetisches Feld gibt, gibt es (zu Anfang) auch keine Magnetisierung und wir beginnen im Ursprung. Sobald ein magnetisches Feld angelegt wird, wird der Ferromagnet magnetisch. Das setzt sich fort bis alle Weiss-Bezirke im Material in die gleiche Richtung weisen. Das Material ist nun maximal magnetisiert und eine Verstärkung des Magnetfelds hat keinen Einfluss mehr auf das Maß der Magnetisierung. Wenn das Magnetfeld verringert wird, werden die Grenzen der Weiss-Bezirke teilweise an denselben Stellen bleiben. Erst wenn das Feld negativ wird, ändert die gesamte Magnetisierung das Vorzeichen. Dies setzt sich so lange fort bis alle Spins in die andere Richtung weisen und die Magnetisierung vollständig umgekehrt ist (das Produkt ist entmagnetisiert). Übrigens ist hier noch von drei weiteren nicht linearen Elementen die Rede: Krümmung, tote Zone und Sättigung.

Hysteresekurve (BH-Kurve)

BH Kurve

Beim Anlegen eines periodisch wechselnden, externen Magnetfelds durchläuft die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials eine Magnetisierungskurve. Von einem „reinen“ Material ausgehend, das über keine Nettomagnetisierung verfügt, wird beim ersten Anlegen ein externes Feld H die blaue Kurve durchlaufen. Bei Erreichen der Sättigungsflussdichte BS und einer magnetischen Feldstärke HS nimmt die Magnetisierung nicht weiter zu. Wenn das Feld anschließend umgekehrt wird, ist die Magnetisierung bei Feldstärke H = 0 nicht vollkommen bis Null gesunken, es besteht eine remanente Feldstärke BR infolge der noch nicht in den ursprünglichen Zustand zurückgekehrten Weiss-Bezirke. Erst wenn die extern auferlegte Feldstärke einen entgegengesetzten Wert, die koerzitive Feldstärke HC erreicht hat, wird B = 0 (das Produkt ist entmagnetisiert). Die Oberfläche der durchlaufenen Schleife bei Wechselmagnetisierung ist ein Maß für die Verluste. Materialien mit niedrigen HC Werten und daher kleinen Hysteresezyklen werden als weiche magnetische Materialen bezeichnet. Ist HC dem gegenüber sehr groß, spricht man von hartem magnetischen Material.

 

Physikalischer Ursprung von Ferromagnetismus

Ferromagnetismus tritt in Materialien auf, die unpaarige Spins beinhalten, zwischen denen eine Wechselwirkung besteht, die dazu führt, dass die atomaren magnetischen Momente sich gleichmäßig aneinander ausrichten. Dies führt zu spontanen und permanent magnetischen Feldern um einen Gegenstand, der aus ferromagnetischem Material hergestellt ist.

Ferromagnetismus

Ferromagnetismus

Anti-Ferromagnetismus

Anti-Ferromagnetismus

 

Obwohl sich in einem Material meistens sowohl Wechselwirkungen bestehen, welche die Spins in die gleiche Richtung ausrichten wollen, als auch Wechselwirkungen, welche die Spins gerade in die entgegengesetzte Richtung ausrichten, herrschen daher die ersten Kräfte in einem Ferromagnet. (Anders entsteht Antiferromagnetismus.)

Im Prinzip können alle Spins in einem Ferromagneten in die gleiche Richtung ausgerichtet werden - in diesem Fall erreicht der Gegenstand seine magnetische Sättigung und besitzt ein großes spontanes Magnetfeld. Es ist jedoch auch möglich, dass die Ordnung der Spins in kleineren Bereichen, den sogenannten Weiss-Bezirken stattfindet. Wenn die Magnetisierung der Bezirke willkürlich ist, beträgt das gesamte Feld des Gegenstands null, obwohl hier Rede von magnetischer Ordnung ist. Durch die Aussetzung an ein starkes äußeres Feld können alle Bezirke in dieselbe Richtung gezogen (magnetisiert) werden.

Beim Erhöhen der Temperatur bewirkt die Temperaturbewegung ein gleitendes Durchbrechen der Spinordnung. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur (Curie-Temperatur) bricht die Ordnung zusammen, weil die thermische Energie größer als die Energie der magnetischen Wechselwirkung geworden ist. Über TC verhält sich das Material paramagnetisch, markiert man die reziproke Suszeptibilität in Bezug auf die absolute Temperatur, erhält man eine charakteristische gerade Linie eines Paramagneten. Die Linie verläuft allerdings durch T = TC anstatt durch T = 0 K, da die Wechselwirkung zwischen den Spins bestehen bleibt, auch wenn die thermische Energie die Ordnung verhindert.

 

Anwendungen

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen der Hysterese in Ferromagneten. Viele dieser Anwendungen nutzen ihr Vermögen, um einen Speicher festzuhalten, z. B. Magnetbänder, Festplatten und Kreditkarten. In diesen Anwendungen befinden sich harte Magnete (hohe Koerzitivität), wie beispielsweise Eisen, damit der Speicher nicht so leicht gelöscht werden kann.

Weiche Magneten (geringe Koerzitivität) werden als Kerne in Elektromagneten verwendet.

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Anisotroop

Wanneer magneetmateriaal in een magneetveld geperst wordt, noemt men het magneetmateriaal voorkeursgericht en anisotroop. Het magnetiseren van anisotroop magneetmateriaal kan alleen in de voorkeursrichting plaatsvinden.

Magneetmaterialen

Ferriet
magneten
 

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