Magnetismus A - Z

Permeabilität

Unter der magnetischen Permeabilität (lat. Permeare = Durchlassen) versteht man die Durchlässigkeit der Materie für die magnetische Flussdichte. Stoffe mit hoher Permeabilität werden selbst magnetisiert und verstärken somit die Flussdichte. Ihr magnetischer Widerstand ist sehr gering. Dazu gehören vor allem ferromagnetische Stoffe, wie Eisen. Die Permeabilität stellt den Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte und Magnetfeld her.
Unter Permeabilität (Lat. Permeare = Durchlassen) versteht man allgemein die Durchlässigkeit von Materie. Entsprechend bezeichnet die magnetische Permeabilität μ die Durchlässigkeit der Materie für den magnetischen Fluss.
Die Größe eines Magnetfeldes H kann mit Hilfe der magnetischen Flussdichte B und der magnetischen Permeabilität μ ausgedrückt werden.
Allgemein gilt:
\(H=\frac{1}{\mu}B\).
Dabei wird die magnetische Permabilität über eine Naturkonstante skaliert, die sogenannte magnetische Feldkonstante \(\mu_0=4\pi\cdot10^{-7}Vs/Am\). Für jedes Material kann dann die magnetische Permeabilität über eine relative magnetische Permeabilität (auch Permeabilitätszahl genannt) μr und die magnetische Feldkonstante μ0 definiert werden: μ=μrμ0.
Für das Vakuum gilt per Definition μr = 1 und demnach:
\(H_0=\frac{1}{\mu_0}B_0\).
Die Magnetische Flussdichte im Vakuum (B0) ist durch die magnetische Feldkonstante μ0 zu dividieren, um das entsprechende Magnetfeld im Vakuum (H0) zu erhalten. Also entspricht im Vakuum einer magnetischen Flussdichte von B0 = 1 Tesla ( 1 Vs/m²) ein Magnetfeld von \(H_0=\frac{10^7}{4\pi} A/m\).
Materie beeinflusst Magnetfelder nun derart, dass sich unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes in Materie eine magnetische Flussdichte ausbildet, welche von der magnetischen Permeabilität μ des Materials abhängt. Die magnetische Flussdichte in Materie ist dann besonders groß, wenn die magnetische Permeabilität μ besonders groß ist.
Die Permeabilitätszahl μr kann über den Zusammenhang B=μr•B0 durch die Vakuum Flussdichte B0 definiert werden. Dabei entspricht B der magnetischen Flussdichte, die sich durch den Einfluss der Materie einstellt.
Mit der Definition B=μr•B0 folgt, dass Materie Magnetfelder verstärkt, wenn μr größer als 1 ist und Magnetfelder abschwächt, wenn μr kleiner als 1 ist.
Beide Fälle sind bekannt. Ferromagnetische Stoffe besitzen mikroskopische Elektronenspins, welche in einem äußeren Magnetfeld ausgerichtet werden. Dadurch kommt es im Außenraum zu einem zusätzlichen Magnetfeld, welches durch die ausgerichteten magnetischen Momente der Elektronenspins verursacht wird. Dieses Magnetfeld kann um viele Größenordnungen stärker sein als das äußere Magnetfeld, welches die Elektronenspins ausgerichtet hat.
Sind die Elektronenspins erst einmal ausgerichtet, so wird die Ausrichtung in Ferromagneten durch die sogenannte Austauschwechselwirkung stabilisiert. μr wird dadurch sehr groß und beträgt in speziellen ferromagnetischen Materialien (sogenannte amorphe Metalle) bis zu μr = 150 000. Eisen hat etwa eine Permeabilität von μr = 10 000.
Diese ganzzahligen Werte in der Literatur sind strenggenommen immer Werte der relativen Permeabilität oder Permeabilitätszahl μr. In der Literatur findet man oft vereinfachend die Bezeichnung μ. Gemeint ist aber eigentlich μr.
Daneben gibt es Paramagnete, in welchen ebenfalls Elektronenspins vorhanden sind, die ausgerichtet werden können. Diese Ausrichtung wird in Paramagneten jedoch nicht stabilisiert. Demnach sind Paramagnete nur leichte Magnetfeldverstärker. μr liegt hier in der Größenordnung 1,00001. Schließlich gibt es noch die Diamagnete. Diese schwächen das äußere Magnetfeld ab, weil es im Inneren keine permanenten resultierenden Elektronenspins gibt, welche im äußeren Magnetfeld ausgerichtet werden könnten. Stattdessen wird beim Eindringen eines äußeren Magnetfeldes ein Strom induziert, welcher nach der Lenzschen Regel seiner Ursache entgegen gerichtet ist und somit das äußere Magnetfeld abschwächt. Diamagnetismus tritt in Materie grundsätzlich auf, allerdings wird der Diamagnetismus in Para- und Ferromagneten von den ausgerichteten Elementarmagneten überlagert.
Einen Sonderfall bilden noch die Supraleiter.
Supraleiter besitzen eine Permeabilitätszahl von Null. Damit verschwindet die magnetische Flussdichte im Supraleiter. Supraleiter besitzen also keine Durchlässigkeit für magnetischen Fluss. Die Feldlinien werden kompett aus dem Supraleiter verdrängt und laufen um diesen herum.
Supraleiter werden deshalb auch als perfekte Diamagnete bezeichnet.
Die Abbildung zeigt den Verlauf der Feldlinien durch ein Para- bzw. Ferromagnetisches Material (μr>1) (links) und um einen Supraleiter herum (rechts). Ein Supraleiter besitzt die Permeabilität μr=0. Es können überhaupt keine magnetischen Feldlinien in den Supraleiter eindringen. Vielmehr wird das Magnetfeld vom Supraleiter verdrängt.
Das ferromagnetische Material dagegen hat eine größere Permeabilität für den magnetischen Fluss als das Vakuum bzw. der Luftraum. Die Feldlinien verdichten sich somit im Material.

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