ET4-29 – Hysterese – Restmagnetismus

In diesem Kurstext erklären wir dir ausführlich den Restmagnetismus der im Zusammenhang mit der magnetischen Hysterese auftritt. Man spricht hier auch von der magnetischen Remanenz $M_R$

“Die Remanenz beschreibt den restlichen Magnetismus eines ferromagnetischen Materials, welcher verbleibt, nachdem die Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld beendet wurde.”

Restmagnetismus - Funktion von Festplatten — Restmagnetismus – Funktion von Festplatten

Restmagnetismus – Remanenz – Grundlagen

Erzeugt man um einen ferromagnetischen Werkstoff eine Magnetfeld, so führt die magnetische Flussdichte dazu, dass das Material magnetisiert wird. Dabei tritt ab einer gewissen Höhe eine Sättigung der magnetisierten Teilchen auf.

Merk's dir!

Entfernt man nun das externe Magnetfeld, entmagnetisiert sich das Material zeitversetzt wieder. Diesen Vorgang nennen wir Hysterese.

Jedoch ist verläuft die Entmagnetisierung in den meisten Fällen nicht vollständig, daher sprechen wir von einem verbliebenen Restmagnetismus.

Die maximale Remanenz hängt von dem ferromagnetischen Material ab und ist somit ein materialspezifischer Wert. Um die Remanenz zu ermitteln, schaut man sich die zugehörige Hysteresekurve an.

Ferromagnetische Materialien

Es existiert nur eine kleine Anzahl von Elementen die bei einer Raumtemperatur (20°C) ferromagnetische Eigenschaften aufweisen.

Hierzu zählen die Elemente:

Eisen

sowie

Kobalt

sowie

Nickel

Restmagnetismus - Nickelhaltige Münzen — Restmagnetismus – Nickelhaltige Münzen

undefiniert

Nur die drei?....

Nein, denn bei sehr niedrigen Temperaturen können wir die Liste noch um ein paar ferromagnetischer Legierungen der oben genannten Elemente erweitern, die dann ferromagnetische Eigenschaften aufweisen.

Um die Remanenz wieder komplett zu entfernen (Entmagnetisierung) muss der entsprechende Körper entweder stark erhitzt oder stark erschüttert werden, damit sich die Elektrospins dies sich infolge der Magnetisierung ausgerichtet haben, wieder verändern. Die zugehörigen Curie-Temperaturen sind:

Eisen > 768 °C

Kobalt > 1127 °C

Nickel > 358 °C

Elektrospins – Ursache für den Magnetismus und die Remanenz

Die rein physikalische Erklärung dazu findest du nachfolgend.

Metalle und dazu gehören die ferromagnetischen Materialien, bestehen aus Atomen mit zugehörigen Elektronen. Die Elektronen bewegen sich um den Atomkern auf Bahnen. Die Art der Bewegung beschreibt man mit Elektrospins.

Restmagnetismus - Remanenz - auf Atombasis — Restmagnetismus – Remanenz – auf Atombasis

Diese werden durch ein äußeres Magnetfeld verändert, wodurch die Magnetisierung erfolgt. Die Remanenz hingegen ergibt sich dadurch, dass diese Änderung der Spins auch nach Entfernen der Magnetfeldes teilweise verbleiben. Man bezeichnet die Elektrospins daher auch als Elementarmagneten.

Vergleichsbeispiel – Wasserglas

Du kannst dir den Vorgang ganz einfach mit einem Glas Wasser vorstellen. Zuerst füllst du das Glas (ferromagnetisches Material) mit Wasser (Magnetisierung) aus der Wasserflasche (externes Magnetfeld) anschließend trinkst du das Wasser auf (Entfernen des Magnetfeldes). Auch wenn du noch so durstig bist, am Ende werden sich noch ein paar Tropfen im Wasserglas befinden (Restmagnetismus). Um das restliche Wasser aus dem Glas zu bekommen musst du entweder sehr stark Schütteln (Ferromagnetisches Material erschüttern) oder das Glas erwärmen (Ferromagnetisches Material erhitzen) damit das Wasser verdunstet.

Restmagnetismus - Erklärung - Wasserglas — Restmagnetismus – Erklärung – Wasserglas

Die zweite Variante um die Remanenz vollständig zu entfernen besteht darin, dass du um das Material ein entgegengesetzt gepoltes Magnetfeld aufbaust.

Remanenz – Ablaufschema mit Entmagnetisierung – Schema

In der nachfolgenden Abbildung findest du den gesamten Vorgang der Remanenz noch mal verbildlicht mit den Möglichkeiten zur kompletten Entmagnetisierung.

Restmagnetismus – Remanenz – Remanenzflussdichte

Um dieses Verhalten des Restmagnetismus in Zahlen festzuhalten, formuliert man die Remanenzflussdichte $B_R$ als entscheidende Größe. Diese ergibt sich aus dem Produkt von Magnetischer Remanenz $M_R$ und

$\boxed{ B_R = \mu_0 \cdot M_R }$

Kennzahlen:

$\boxed{ B_R = }$ Remanenzflussdichte

$\boxed{M_R = }$ Remanenz

$\boxed{ \mu_0 = }$

Die Einheit der Remanenz wird in der Einheit $1 T$ – Tesla angegeben. Alternativ gibt man den Wert in Gauß an. Die Umrechnung ist wie folgt:

$\boxed{1 T = 10.000 \text{Gauß} }$

Gewünschte und unerwünschte Remanenz

Je nach Anwendungsfall ist eine magnetische Remanenz erwünscht oder unerwünscht.

Gewünschte Remanenz

Obwohl man sich im ersten Moment vermutlich denkt, dass eine Remanenz doch nur störend wirken kann, ist sie die Grundlage für alle Speichermedien, die auf Magnetismus basieren.

Dazu zählen

Festplatten,

sowie

Disketten

sowie

Tonbänder.

Ohne die Remanenz könntest deine Lieblingslieder nicht auf deinem PC abspeichern.

Auch Lautsprecher und Fahrraddynamos weisen einen Restmagnetismus auf.

Unerwünschte Remanenz

Obwohl die Remanenz im ersten Moment als Zugewinn erscheint, verursacht sie in anderen Bereichen jedoch merkliche Probleme. Bereiche wo dieses magnetischer Verhalten als störend gilt und wo eine Entmagnetisierung stattfinden sollte, sind:

Transformatoren beim Einschaltvorgang

sowie

Schneidwerkzeuge wie Messer oder Scheren zum Spanen, hier für eine Magnetisierung dazu, dass Späne an den Werkzeugen haften bleiben.

sowie

Hubmagnete können magnetisiertes Material nicht loslassen. Hier kann ein ordentlicher Arbeitsablauf ohne Entmagnetisierung nicht gewährleistet werden.

wie gehts weiter?

Nachdem wir jetzt ausführlich über die Remanenz und die Entmagnetisierung gesprochen haben, erklären wir dir im nächsten Kurstext als abschließendes Thema dieses Abschnitts und des Kurses “Elektrische und Magnetischer Felder” die Hysteresekurve.

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