ET4-30 – Hysterese – Hysteresekurve

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Inhaltsverzeichnis:

 In diesem abschließenden Kurstext gehen wir ausführlich auf die Hysteresekurve ein. Dabei erlernst du zuerst die Grundlagen zu der Kurve inklusive der enthaltenen Größen, bevor wir dann noch mal zwischen der Kurvenverläufen von Hartmagneten und Weichmagneten unterscheiden.

Für ein optimales Verständnis helfen dir in diesem Kursabschnitt drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET5-Magnetische Felder

 

Merk’s dir!

“Mit Hilfe der Hysteresekurven können wir Aussagen zu der Magnetisierung, Entmagnetisierung und der Remanenz (Restmagnetismus) von magnetisierbaren Materialien in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte und Feldstärke treffen.” 

 

Hysteresekurve - Magnetisierung, Entmagnetisierung
Hysteresekurve – Magnetisierung, Entmagnetisierung

 

Hysteresekurve – Grundlagen

Die Hysteresekurve liefert uns grundlegenden Informationen zu den Eigenschaften von ferromagnetischen Materialien

 

B-H-Diagramm

Sobald man die Feldstärke eines externen Magnetischen Feldes um einen ferromagnetischen Werkstoff ändert, kann man dessen Eigenschaften mit Hilfe einer Hysteresekurve darstellen. Diese Kurve wird in einem B-H-Diagramm eingezeichnet.

 

B-H-Diagramm - Hysteresekurve
B-H-Diagramm – Hysteresekurve

 

Merk’s dir!

B-H-Diagramm bedeutet: Magnetische-Flussdichte-Magnetische-Feldstärke-Diagramm.

 

Der Verlauf einer Hysteresekurve startet immer im Nullpunkt des Koordinatensystems. Zu diesem Zeitpunkt (Nullpunkt) befindet sich das ferromagnetische Material in einem nichtmagnetisierten Zustand. Auch das externe Magnetische Feld weist zu Beginn den Wert 0 auf, da kein Strom oder eine ihn verursachende Spannung vorliegt.

  Somit sind

\vec{B} = 0 Magnetische Flussdichte

sowie

\vec{H} = 0 Magnetische Feldstärke

 

Ähnlich heißt nicht gleich…

Jedes ferromagnetische Material besitzt einen individuellen (eigenen) Verlauf der Kurve.

 

Die Größen, die sich aus einer Hysteresekurve inkl. B-H-Diagramm ablesen lassen, siehst du in der nachfolgenden Abbildung:

 

Hysteresekurve - Wichtige Größen
Hysteresekurve – Wichtige Größen

 

Die Anzahl der ferromagnetischen Materialien ist eher gering. Merken solltest du dir die Materialien Eisen, Nickel und Kobalt.

 

Neukurve

Diese erste Kurve, die im Nullpunkt startet, bezeichnet man als Neukurve. Sie startet ab dem Zeitpunkt, zu welchem der Strom fließt, der die magnetische Feldstärke \vec{H} des externen Magnetfeldes erzeugt. Leicht verzögert steigt dann auch die Magnetische Flussdichte \vec{B} an.

 

Der Strom wird dabei so lange erhöht, bis eine Sättigung auftritt und die Kurve einen waagerechten Verlauf einnimmt, nachdem sieht vorher angestiegen ist.

Denn obwohl die magnetische Feldstärke immer weiter erhöht wird, nimmt der Anstieg der Flussdichte zunehmend ab.

 

Kannst du dich erinnern?…

Die Ursache dafür ist im Vorangegangenen Kurstext “Restmagnetismus / Remanenz” ausführlich beschrieben.

Kurz zusammengefasst: Das Material ist gesättigt, wenn alle Elementarmagneten (Elektronenspins) ausgerichtet sind.

 

Das besondere bei der Neukurve ist, dass ihr Verlauf nicht erneut erreicht werden kann. Alle weiteren Kurvenverläufe weichen davon ab.

 

Weiterer Kurvenverlauf

Senkt man den elektrischen Strom und somit die magnetische Feldstärke ab, so fällt die Kurve wieder ab, liegt aber immer höher als der Verlauf der Neukurve. Hier wird der bereits thematisierte Effekt der Hysterese noch mal verdeutlicht.

 

Der Verlauf erreicht nicht den Nullpunkt, da bis hier noch immer ein Restmagnetismus vorliegt. Du hast diesen Vorgang als Remanenz kennengelernt.

 

Wenn man nun die Strömung umkehrt, so verläuft die Kurve in den negativen Bereich. Denn es wird ein Magnetfeld mit umgekehrter Strömung aufgebaut, welche so eine Entmagnetisierung bewirkt. Sobald auch hier der Sättigungspunkt erreicht wird, bei dem die Kurve einen horizontalen Verlauf annimmt, startet der Vorgang der Hysterese wieder vorne.

 

Hä? – Das war doch vorher anders….

Egal ob man den Vorgang 1-mal oder 100-mal wiederholt, die Kurvenverläufe sind nie deckungsgleich mit den Verläufen des vorangegangenen Durchgangs.

 

Hysteresekurve – Einteilung nach Art des Magneten

Obwohl jedes ferromagnetische Material andere Eigenschaften gegen über anderen Materialien aufweist und somit auch einen individuellen Verlauf der Hysteresekurve besitzt, ist es uns möglich eine Unterscheidung in Hartmagneten und Weichmagneten vorzunehmen.

 

Hartmagneten

Hartmagneten besitzen eine sehr hohe Koerzitivfeldstärke. Dadurch eignen sie sich besonders gut zum Einsatz als Dauermagneten, da sie beständiger gegenüber externen Einflüssen sind.

Die Kurve ist sehr breit und sieht auf den ersten Blick schon fast wie ein Viereck aus. Daraus können wir ableiten, dass ein schlagartiger Richtungswechsel der Flussdichte auftritt, sobald ein bestimmter Wert der magnetischen Feldstärke erreicht ist.

 

Hysteresekurve - Hartmagnet
Hysteresekurve – Hartmagnet

 

Weichmagneten

Weichmagneten hingegen weisen eine relativ geringe Koerzitivfeldstärke auf. Sie werden bevorzugt in Bereichen eingesetzt, in denen die Feldstärke häufig die Polarität ändert.

 

Die Kurve hat eine sehr schmale, bzw. schlanke Erscheinung, so wie in der nächsten Abbildung dargestellt.

 

Hysteresekurve - Weichmagnet
Hysteresekurve – Weichmagnet

 

Wie du am Verlauf erkennen kannst sind Remanenz und Koerzitivität gering.

 

Sonderfall – idealer Weichmagnet

Dieser Magnet besitzt keine Remanenz, denn der Verlauf der magnetischen Feldstärke verhält sich linear zum Verlauf der magnetischen Flussdichte.

 

 

Hysteresekurve – Fläche

Der Flächeninhalt eines gesamten Umlaufs der Kurve entspricht dem Energiegehalt, der für einen kompletten Umlauf erbracht werden muss. Messbar wird dieser infolge einer Wärmeabgabe während der Magnetisierung und Entmagnetisierung inkl. Umpolung.

 

Schauen wir uns noch mal beide Kurven an, dann sehen wir sofort, dass für den Hartmagneten wesentlich mehr Energie aufgewendet werden muss, als für den Weichmagneten für einen Umlauf.

 

 

Fläche unter der Kurve - Energie
Fläche unter der Kurve – Energie

 

Was kommt als Nächstes?

Mit diesem Kurstext schließen wir dieses Kursmodul ET5 ab und fahren mit dem Kurs ET6 Wechselstromtechnik fort.

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