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Magnetische Hysterese bei Ferromagneten

Magnetische Hysterese - ist das Verhalten eines Ferromagneten in einem externen Magnetfeld, bei dem die Magnetisierung des Ferromagneten von seiner magnetischen Vorbehandlung abhängt.
Level 3
Level 3 setzt die Grundlagen der Vektorrechnung, Differential- und Integralrechnung voraus. Geeignet für Studenten und zum Teil Abiturienten.

Ein ferromagnetisches Material wird in einem externen Magnetfeld \(B\) untersucht. Dazu wird das Magnetfeld verändert und dabei die Magnetisierung \(M\) des Materials gemessen. Aus der Magnetisierung kann das Magnetfeld \(B_{\text i} = \mu_0 \, M \, \left( \frac{1}{\chi} + 1 \right) \, \) im Inneren des Ferromagneten berechnet werden. Hierbei ist \(\chi \) die magnetische Suszeptibilität.

Beispiel für eine Hysteresekurve.

Der Ferromagnet wird zuerst in ein ausgeschaltetes Magnetfeld gebracht: \(B = 0 \). Sei das Material vorher nicht magnetisiert worden, d.h. die Magnetisierung ist ebenfalls Null: \( M = 0 \). Nun wird das externe Magnetfeld \(B\) langsam erhöht. Das Material wird dadurch magnetisiert, weshalb die Magnetisierung ebenfalls ansteigt. Ab einem genügend großen Magnetfeld, geht aber die Magnetisierung in Sättigung, da keine magnetischem Dipole im Ferromagneten mehr übrig sind, die parallel zum externen Magnetfeld ausgerichtet werden könnten (siehe Illustration). Die dadurch entstandene \(M(B)\)-Kurve (I) wird lustigerweise jungfräuliche Kurve genannt, weil das Material vorher noch keine Magnetisierung ("Sex") erfahren hat. Nennen wir den Verlauf (I) lieber Neukruve.

Wird nun das Magnetfeld \(B\) wieder verringert, so verringert sich auch die Magnetisierung \(M\) des Ferromagneten. Doch sie verringert sich jetzt auf eine andere Weise. Es entsteht eine andere \(M(B)\)-Kurve (II). Ist das Magnetfeld bei \(B = 0\) angekommen, so ist die Magnetisierung nicht mehr wie vorher bei \( M = 0\), sondern es bleibt eine Restmagnetisierung \( M_{\text r} \) bei ausgeschaltetem Magnetfeld übrig. Ein ferromagnetisches Material wird in einem externen Magnetfeld magnetisiert, wobei beim Ausschalten des Magnetfeldes das Material eine Restmagnetisierung \( M_{\text r} \) beibehält. Dieser Effekt wird Remanenz genannt.

Um die Restmagnetisierung zu eliminieren, muss das Magnetfeld umgepolt, das heißt, seine Richtung gewechselt werden. Das Magnetfeld wird also so weit in die entgegengesetzte Richtung erhöht (negative \(B\)-Achse), bis bei dem Magnetfeldwert \( B_{\text c} \) die Magnetisierung auf Null gesunken ist.Der Wert \( B_{\text c} \), bei dem die Magnetsierung des vorher magnetisierten Materials verschwindet, wird Koerzitivmagnetfeld genannt.

Wenn das Magnetfeld weiter in die entgegengesetzte Richtung erhöht wird, so steigt wieder die Magnetisierung an - ebenfalls in die entgegengesetzte Richtung (Magnetisierung ist jetzt negativ). Bei weiterer Erhöhung des Magnetfeldes geht die Magnetisierung in Sättigung. Wird das Magnetfeld wieder in die andere Richtung gefahren, so verläuft die \(M(B)\)-Kurve nochmal unterschiedlich (III).Die Kurven (II) und (III) bilden zusammen eine Hystereseschleife.

Die Form der Hystereseschleife hängt von dem benutzten ferromagnetischen Material ab. Weichmagnete haben eine schmale Hystereseschleife. Hartmagnete eine eher breite Hystereseschleife. Permanentmagnete weisen eine große Remanenz auf, das heißt - beim Ausschalten des Magneten behält ein Permanentmagnet eine große Restmagnetisierung.

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