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Magnetische Hysterese

Elementarmagnete

Ferromagnetische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass deren Bausteine (Atome, Moleküle) magnetische Momente aufweisen. Diese magnetischen Momente der kleinsten Einheiten werden auch Elementarmagnete genannt. Ordnen sich diese Elementarmagnete parallel zueinander an, so verstärken sich deren Magnetfelder, im antiparallelen Zustand schwächt sich das Magnetfeld ab, wie im Kapitel Magnete in Magnetfeldern beschrieben. Die Elementarmagnete wechselwirken also untereinander und mit externen Magnetfeldern. Diese Wechselwirkung führt dazu, dass sich die Elementarmagnete in ferromagnetischen Materialien in Gruppen anordnen. Wie das in etwa abläuft, könnt ihr mit der Java-Applikation im vorherigen Kapitel sehen.

Ferromagnetische Materialien ohne äußeres Magnetfeld

Das bekannteste ferromagnetische Material ist Eisen. Wer ein Stück Eisen (Nagel, Büroklammer) in die Hand nimmt, wird feststellen, dass dieses im Normalfall andere Eisenstücke nicht anzieht. Obwohl Eisen also aus vielen kleinen Magneten aufgebaut ist, besitzt es kein nach außen wirkendes Magnetfeld. Der Grund liegt darin, dass die Elementarmagnete zufällig angeordnet sind und sich die Magnetfelder untereinander abschwächen. Wie ihr in der Java-Applikation beobachten konntet, sind die Magnete nicht alle beliebig verteilt, sondern es bilden sich Gruppen von Elementarmagneten, die parallel zueinander oder in Ketten angeordnet sind. Einer Gruppe stehen jedoch in ihrer Nachbarschaft wieder andere Gruppen entgegen, deren Anordnung nicht parallel zur ersten Gruppe ist. Ein Bereich von Elementarmagneten gleicher Orientierung wird Domäne oder Weiss-Bezirk (nach dem französischen Physiker Pierre-Ernest Weiss) genannt.

Weiss domain
Abbildung 1:
Bildausschnitt aus der Java-Applikation Magnete. Die Bereiche mit Magneten gleicher Ausrichtung (Domänen, Weiss-Bezirke) sind eingezeichnet. Auffällig ist, dass sich alle Magnete in ihrer Achse entweder horizontal oder vertikal zum Bildschirm angeordnet haben. Das liegt daran, dass die Magnete in einem quadratischen Gitter angeordnet sind. Der Abstand zweier Magnetspitzen ist daher in horizontaler oder vertikaler Richtung am geringsten. Geringer Abstand bedeutet starke Wechselwirkung untereinander, daher dieses bevorzugte Muster. In der Java Applikation könnt ihr die Magnete auch in gleichseitigen Dreiecken anordnen und hier sind andere Achsen bevorzugt (habt ihr's ausprobiert?).
In der uns umgebenden festen Materie sind die Atome meist ebenfalls entsprechend einem Grundmuster angeordnet und auch hier gibt es bevorzugte Ausrichtungen der Elementarmagnete. Stoffe können aus einheitlichen Bausteinen (z. B. nur Eisen-Atome) oder aus verschiedenen Bausteinen (z.B. Eisenoxid aus Eisen- und Sauerstoffatomen) bestehen. Entsprechend vielfältig sind die Gitter, in denen sich die Atome und damit die Elementarmagnete anordnen. Es ist nach wie vor ein spannendes Forschungsfeld, aus all den zur Verfügung stehenden Elementen die "richtige" Mischung für die jeweilige Anwendung zu finden.

Anlegen eines äußeren Magnetfeldes

Anlegen eines äußeren Magnetfeldes
Abbildung 2:
Wird das ferromagnetische Material in ein äußeres Magnetfeld gebracht, wirkt ein zusätzliches Drehmoment auf die Elementarmagnete, das die Achsen der Magnete parallel zu den Feldlinien des äußeren Feldes zu drehen versucht. Das Magnetfeld ist in dem linken Bild durch graue Linien dargestellt. Dabei befindet sich der magnetische Nordpol des externen Feldes auf der rechten Bildseite.
Wenn ihr das Experiment mit der Java-Applikation durchgeführt habt, werdet ihr beobachtet haben, dass sich nicht alle Magnete sofort beim Anlegen des Feldes in dessen Richtung gedreht haben, sondern dass diese Ausrichtung zum Teil in Gruppen verläuft. Dabei drehen sich die senkrecht zur Bildschirmachse ausgerichteten Magnete schon bei einer geringeren Feldstärke in Richtung des äußeren Feldes, während die antiparallel zum Magnetfeld angeordneten Elementarmagnete erst bei höheren Feldstärken umklappen. Das gleichzeitige Umklappen einer ganzen Domäne oder zumindest mehrerer Elementarmagnete wird als Barkhausensprung bezeichnet. Dabei ändert sich die Magnetisierung sprunghaft, was sich in genauen Messungen widerspiegelt.
Ab einer gewissen Feldstärke sind alle Magnete parallel zum äußeren Feld ausgerichtet. Man nennt diesen Zustand Sättigungsmagnetisierung.

Abschalten des äußeren Magnetfeldes

Abschalten des äußeren Magnetfeldes
Abbildung 3:
Wird das äußere Magnetfeld nun abgeschaltet, so beeinflussen sich die Elementarmagnete nur noch^ untereinander. Dabei ist es von Bedeutung, in welchem Grundmuster die Magnete angeordnet sind und in welchem Winkel zu diesem Grundmuster das äußere Magnetfeld angelegt war. Im Bild links ist zu sehen, dass die Magnete nach Abschalten des Feldes in ihrer Ausrichtung verharren. Das Feld war längs einer Achse mit dem geringstmöglichen Abstand der Magnetspitzen zueinander angelegt. Durch das Feld haben sich alle Magnete so angeordnet, dass jedem Nordpol ein Südpol gegenüberliegt. Die gegennamigen Pole ziehen einander an und befinden sich damit in einem stabilen Gleichgewichtszustand. Man müsste Energie aufwenden, um einen der Magnete aus seiner momentanen Lage herauszudrehen. Somit bleiben alle Magnete in ihrer parallelen Ausrichtung. Das hat zur Folge, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Elementarmagnete untereinander verstärken und damit auch außerhalb des Materials gemessen werden können.
Wenn ihr den Pol eines Permanentmagneten an einen Eisennagel haltet und danach langsam wieder entfernt, werdet ihr feststellen, dass der anfangs unmagnetische Nagel auf einmal ebenfalls andere Nägel anzieht. Das ist darauf zurückzuführen, dass hier ebenfalls einige der Elementarmagnete in der Richtung des Magnetfeldes des Permanentmagneten verbleiben und nicht mehr alle in verschiedene Richtungen zeigen. Wie stark der Nagel nach dem Entfernen des Permanentmagneten magnetisiert ist, hängt stark von der Eisenlegierung ab und der Stärke des Permanentmagneten ab.
Der Nagel verbleibt jedoch keinesfalls in einem vollständig magnetisierten Zustand wie im Bild links zu sehen. Der Nagel ist nämlich nicht aus einem Einkristall aufgebaut, d.h. nicht alle Eisenatome sind in einem einzigen Gitter angeordnet, sondern er besteht aus vielen einzelnen Gittern oder "Körnern" die ihrerseits wieder zusammenhängen. Die Gitter sind in ihrer Achse alle unterschiedlich angeordnet und somit ist das Magnetfeld des Permanentmagneten nur zu einigen dieser Gitter parallel. Was mit den Elementarmagneten passiert, deren Gitter nicht parallel zu dem Feld des Permanentmagneten ausgerichtet waren, sehen wir jetzt:

Äußeres Magnetfeld mit Winkel zur Gitterstruktur

Äußeres Magnetfeld mit Winkel zur Gitterstruktur
Abbildung 4:
Das äußere Magnetfeld befindet sich in diesem Bild in einem Winkel von 48 Grad zum quadratischen Gitter der Magnete. Die Magnete sind (vor allem im Randbereich) trotz maximaler Feldstärke nicht genau parallel zum äußeren Magnetfeld ausgerichtet.
Abschalten Äußeres Magnetfeld mit Winkel zur Gitterstruktur
Abbildung 5:
Nach dem Abschalten des äußeren Feldes ordnen sich die Magnete wieder bevorzugt in horizontaler bzw. vertikaler Richtung aus. Die außerhalb des Kristalls messbare Magnetisierung ist geringer als im ersten Fall, da jetzt nicht mehr alle Magnete parallel zueinander ausgerichtet verbleiben.
Ein Eisennagel wird durch einen Permanentmagneten daher nie vollständig magnetisiert.

Anlegen eines gegengerichteten Magnetfeldes

Anlegen eines gegengerichteten Magnetfeldes
Abbildung 6:
Nun wird ein Magnetfeld angelegt, dessen Feldlinien im Winkel von 180 Grad zum vorherigen verlaufen. Der magnetische Nordpol des externen Feldes befindet sich also auf der linken Bildseite. Erst ab einer bestimmten Feldstärke beginnen sich die Magnetnadeln aus ihrer ursprünglichen Position herauszudrehen. Dabei reißt eine Nadel auch gleich immer benachbarte Magnete mit sich, sodass sich wie zuvor immer Gruppen von Magneten in ihre neue Endposition drehen. Irgendwann ist ein Zustand erreicht, in dem die Magnete so angeordnet sind, dass sich deren magnetische Momente wieder gegenseitig aufheben. Würde man das externe Feld zu diesem Zeitpunkt abschalten, hätten wir wie zu Beginn des Experiments ein nach außen hin unmagnetisches Stück Eisen.

Abschalten eines gegengerichteten Magnetfeldes
Abbildung 7:
Das externe Magnetfeld wurde beim Erreichen des (fast) unmagnetisierten Zustandes abgeschaltet. Es haben sich wie zu Beginn des Experiments Domänen mit unterschiedlicher Magnetisierung ausgebildet, deren Wirkung sich außerhalb des Kristallgitters gegenseitig aufhebt.
Erneutes Einschalten eines gegengerichteten Magnetfeldes
Abbildung 8:
Legt man das externe Feld wieder an, so richten sich alle Magnetnadeln ab einer bestimmten Feldstärke wieder parallel zum (nun um 180 Grad gedrehten) Magnetfeld an. Besonders hartnäckig bleiben in diesem Fall die Magnetnadeln der mittleren Reihe in ihrer Position. Da sich gleich viele Magnetreihen ober- wie unterhalb befinden, heben sich deren "Störungen" in Achse des äußeren Feldes auf. Es muss daher eine höhere Feldstärke aufgewendet werden, um auch die letzte Reihe Magnetnadeln in Richtung des Feldes zu kippen. Das gilt auch, wenn wir ausgehend von diesem Zustand die Magnetnadeln wieder mit ihren Nordpolen nach links kippen möchten. Auch hier benötigen wir wieder eine höhere Feldstärke als im ersten Versuch, um alle Nadeln zu drehen! Die Feldstärke zur vollständigen Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials hängt also von dessen magnetischer "Vorgeschichte" ab. Auch das bloße Abschalten des Magnetfeldes führt nicht dazu, dass sich das Eisenstück komplett entmagnetisiert. Hierzu muss ein entgegengesetztes Feld angelegt werden! Dieses Verhalten bezeichnet man als magnetische Hysterese.


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