Magnetismus A - Z

Hysterese

Hysterese ist eine Eigenschaft ferromagnetischer Materialien. Die Magnetisierung des Materials steigt schnell an, wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird. Aufgrund der Hysterese (vom griechischen hysteros = hinterher) sinkt dann die Magnetisierung jedoch nicht ganz so schnell wieder ab, wenn das Magnetfeld heruntergeregelt wird. Schaltet man das Magnetfeld ganz aus, so verbleibt eine Restmagnetisierung, die auch als Remanenz bezeichnet wird.
Hysterese ist der Effekt, dass die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials nicht exakt proportional zum äußeren Magnetfeld verläuft und von der magnetischen Vorbehandlung des Materials abhängt. Dies bedeutet, dass die Magnetisierung eines z.B. eisenhaltigen Gegenstandes nicht doppelt so groß wird, wenn man das äußere Magnetfeld verdoppelt. Insbesondere bleiben ferromagnetische Materialien ein wenig magnetisiert, wenn das äußere Magnetfeld ganz abgeschaltet wird. Diese verbleibende Magnetisierung wird als Remanenz bezeichnet.
Die Magnetisierung eines Ferromagneten steigt zunächst mit dem äußeren Magnetfeld an. Wird das äußere Magnetfeld reduziert, so geht auch die Magnetisierung wieder zurück. Dieser Prozess läuft jedoch langsamer ab als der vorherige Anstieg der Magnetisierung, so dass sogar noch Magnetisierung (Remanenz) verbleibt, wenn das Magnetfeld ganz ausgeschaltet wird. Dieser nicht proportionale Zusammenhang ist ein gewisses "Hinterherhinken" der magnetischen Flussdichte hinter der magnetisierenden Feldstärke. Die Bezeichnung Hysterese kommt vom griechischen ηψστερoσ (hysteros = hinterher).
Eine mathematische Kurve, welche die jeweilige Magnetisierung als magnetische Flussdichte B bei einem bestimmten äußeren Magnetfeld H angibt, wird als Hysteresekurve bezeichnet (siehe Abbildung).
Abb. Hysteresekurve für ein magnetisch weiches Material (links) und ein magnetisch hartes Material (rechts). Für das noch unmagnetisierte Material zeigt die rote "Neukurve" den Verlauf der Magnetisierung über dem äußeren Feld an. Dabei gilt die jeweils obere Kurve für den Verlauf von BS zu –BS und die untere Kurve für den Verlauf von –BS zu BS, wie durch die Pfeile dargestellt.
Typische Punkte der Hysteresekurve sind das Koerzitivfeld Hc, welches nötig ist, um die Magnetisierung des Materials durch das äußere Feld zu kompensieren, die Remanenz BR, welche die verbleibende Flussdichte bei verschwindendem äußeren Feld bezeichnet und die Sättigungsflussdichte BS, bei der alle Elektronenspins ausgerichtet sind. Wird das H-Feld weiter gesteigert (über den zu BS gehörigen Punkt hinaus), so verläuft das B-Feld proportional zu H mit geringer Steigung.
Die Hysteresekurve ist unterschiedlich für verschiedene Materialien und tritt nur bei ferromagnetischen Materialien auf. Ein magnetisch weiches Material wird durch die in der Abbildung links gezeigte Hysteresekurve charakterisiert, ein magnetisch hartes Material durch die rechte Hysteresekurve.
Die rote Kurve bezeichnet im linken Beispiel, exemplarisch dargestellt, den Verlauf der magnetischen Flussdichte in einem Material, welches noch nicht magnetisiert ist. Sie wird auch als Neukurve oder "jungfräuliche" Kurve bezeichnet.
Hier ist die magnetische Flussdichte und damit auch die Magnetisierung M des Materials näherungsweise linear zum äußeren Magnetfeld H. Die Formel lautet: M=(μ-1)•H. Dabei bezeichnet μ die magnetische Permeabilität.
Das Magnetfeld im Inneren des Materials ist die Summe aus dem äußeren Magnetfeld H und der Magnetisierung des Materials M.
Ist der Körper bereits magnetisiert, so bewirkt ein Magnetfeld H, welches der Magnetisierung des Körpers entgegengerichtet ist, zunächst eine Abschwächung der bestehenden Magnetisierung. Erst ab der sogenannten Koerzitivfeldstärke Hc tritt Magnetisierung parallel zum äußeren Magnetfeld auf, also eine Ummagnetisierung. Die neue Magnetisierung steigt nichtlinear bis zur Sättigungsfeldstärke BS. Reduziert man dann das äußere Magnetfeld wieder, so fällt die magnetische Flussdichte im Material langsamer ab als sie vorher angestiegen ist. Es verbleibt schließlich sogar die Remanenz BR.
Die Fläche, die von der Hysteresekurve eingeschlossen wird, hat die Dimension einer Energie (Das Energieprodukt beispielsweise ist das Produkt aus Magnetfeld H und magnetischer Flussdichte B, wie die Fläche eines Rechtecks das Produkt aus Breite und Länge ist). Die Fläche, welche von der Hysteresekurve eingeschlossen wird, ist gerade die Energie pro Volumeneinheit des Magneten, welche bei einem Durchlauf der Magnetisierung von der positiven Sättigungsflussdichte BS bis zur negativen Sättigungsdflussdichte –BS und dem anschließenden Rückweg von –BS zu BS aufgewendet werden muss. Diese Energie wird bei dem Magnetisierungsvorgang als Wärme frei. Bei magnetisch harten Materialien ist diese Energie größer als bei magnetisch weichen Materialien. Die harten Materialien sind entsprechend widerstandsfähiger gegen kleine Störungen der Magnetisierung durch äußere Magnetfelder, Wärme oder Stöße und eignen sich gut als Magnetstoffe für Permanentmagnete. Weichmagnetische Substanzen werden für Transformatoren verwendet, da die Ummagnetisierung nur wenig Energie verbraucht.
Der physikalische Hintergrund für Hysterese liegt in der Existenz der Elektronenspins als elementare magnetische Momente der ferromagnetischen Stoffe begründet. Die starke Magnetisierung dieser Stoffe in äußeren Magnetfeldern kommt dadurch zu Stande, dass sich die magnetischen Momente in einem äußeren Magnetfeld ausrichten und dabei durch die Austauschwechselwirkung stabilisiert werden. Die ausgerichteten magnetischen Momente machen das ferromagnetische Material selbst zu einem Magneten.
Bei der Sättigungsfeldstärke und dem zugehörigen gesättigten magnetischen Fluss BS sind alle magnetischen Momente parallel ausgerichtet. Dieser Zustand wird als magnetische Sättigung bezeichnet.
Nach der Ausrichtung stehen die magnetischen Momente der Elektronenspins in gegenseitiger Austauschwechselwirkung. Die Energie dieser Wechselwirkung muss aufgewendet werden, um die Magnetisierung eines Materials wieder aufzuheben, also die Ausrichtung der stabilisierten Elektronenspins wieder zu zerstören. Das bedeutet, die Magnetisierung geht langsamer zurück als sie entstanden ist, weil sich die magnetischen Momente der Probe gegenseitig stabilisieren. Es kostet Energie, diese Stabilisierung wieder aufzuheben. Wenn die Austauschwechselwirkung groß ist, so schließt die Hysteresekurve eine große Fläche ein und man spricht von magnetisch harten Materialien.

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