Physikalische Erklärung des Magnetismus

Physikalische Erklärung des Magnetismus
Als alleinige Ursache für jeden Magnetismus ist die Ladungsbewegung anzusehen. Dieser
Zusammenhang ist bei Elektromagneten offensichtlich: Fließt in einer Spule Strom, so entstehen
magnetische Wirkungen, wird der Strom abgeschaltet, verschwindet auch der Magnetismus. Um die
Zusammenhänge bei einem Dauermagneten erklären zu können, müssen wir uns den atomaren
Aufbau betrachten. Nach dem Bohr’schen Atommodell bewegen sich die Elektronen auf bestimmten
Bahnen um den Atomkern. Ein solches Elektron bildet einen Ringstrom und erzeugt so einen
elementaren Dauermagneten. Somit können Atome bzw. Moleküle elementare Dauermagnete bilden.
Infolge der Wärmebewegung befinden sich diese Dauermagnete in statistischer Unordnung, so dass
ihre Wirkungen nach außen nicht in Erscheinung treten.
Zusätzlich weisen die Elektronen eine Eigendrehung auf, den sog. Elektronenspin. Jedes so
kreisende Elektron stellt einen Kreisstrom dar und wirkt ebenfalls wie ein kleiner Dauermagnet
(Spinmagnet, Spinmoment eines Elektrons). Das aus der Physik bekannte Pauli-Prinzip besagt, dass
zwei Energiezustände (von Elektronen) nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen können, d.h. sie
müssen wenigstens für eine der vier Quantenzahlen verschiedene Werte haben. Befinden sich zwei
Elektronen auf dem gleichen Energieniveau, so drehen sie sich stets mit entgegengesetztem Spin.
Hierdurch werden die Spinmagnete kompensiert.
Bei paramagnetischen Stoffen, deren Charakteristika ein µ r > 1 ist, fehlt eines dieser Elektronen pro
Atom. Der unkompensierte Spinmagnet kann dann durch ein äußeres Feld ausgerichtet werden und
trägt so zum paramagnetischen Verhalten des Stoffes bei. Die Funktion B = f ( H ) ist eine Gerade, weil
die Permeabilität konstant und unabhängig von der magnetischen Feldstärke ist.
Ferromagnetismus:
Bei ferromagnetischen Stoffen werden pro Atom mehr als ein magnetisches Spinmoment eines
Elektrons nicht kompensiert. Bei Eisen wirken die magnetischen Momente von vier Elektronen, bei
Kobalt von drei Elektronen und bei Nickel von zwei Elektronen. Die resultierenden Spinmomente
ergäben nur ein stark paramagnetisches Verhalten. Da sich jedoch benachbarte Spinmomente
gegenseitig beeinflussen, indem sie sich in Stoffbereichen – den sog. Weißschen Bezirken –
magnetisch ausrichten, nehmen beim Auftreten eines äußeren magnetischen Feldes ganze
Stoffbereiche spontan die Richtung des äußeren Feldes an. Diese spontane Ausrichtung der Bereiche
nennt man Klappen der Weißschen Bezirke, siehe Abb. 1.
Abb. 1: Ausrichtung der Weißschen Bezirke
Bei ferromagnetischen Stoffen ist die Permeabilität µ r von der magnetischen Feldstärke abhängig:
µr = f (H )
Somit ist auch der Zusammenhang zwischen der magnetischen Induktion B und der magnetischen
Feldstärke H nichtlinear. Die grafische Darstellung B = f ( H ) wird Magnetisierungskurve genannt und
kann wie folgt unterschieden werden:
Neukurve:
Sie wird beim erstmaligen Magnetisieren eines vorher nicht magnetisierten Materials durchlaufen. Für
die Magnetisierungskurve in Abb. 2a sei angenommen, dass der ferromagnetische Stoff vollkommen
entmagnetisiert ist, d.h. H = 0 , B = 0 . Das Aufbringen einer Feldstärke H führt zu einer magnetischen
Induktion B , die erst langsam, dann schneller und schließlich kaum mehr ansteigt (Sättigungsgebiet).
Hystereseschleife:
Sie wird beim Ummagnetisieren zyklisch durchlaufen, siehe Abb. 2b. Wird, ausgehend von der
Sättigung + Bmax , die Feldstärke H verringert, so folgt die Induktion der Feldstärkeänderung nicht auf
der Neukurve zurück, sondern verläuft oberhalb von ihr. Bei H = 0 bleibt im Eisen ein
Restmagnetismus, die sog. Remanenz + Br zurück. Man nennt dieses zeitunabhängige Zurückbleiben
Hysterese. Zur Beseitigung der Remanenz + Br ist die Koerzitivfeldstärke − H C notwendig. Wird die
negative Feldstärke weiter gesteigert, erreicht das Eisen wieder einen Sättigungszustand − Bmax . Bei
Verringerung der Feldstärke auf Null bleibt die Remanenz − Br zurück. Wird die positive Feldstärke
gesteigert, so erreicht die Kurve in + Bmax wieder ihren Anfang.
Abb. 2: Magnetisierung: a) Magnetisierungskurve; b) Neukurve und Hystereseschleife
Je nach Form der Hystereseschleife ergeben sich unterschiedliche Anwendungen für
Magnetwerkstoffe. So sollen Magnetwerkstoffe für Übertrager eine hohe Permeabilität bei kleinster
Koerzitivfeldstärke haben (weichmagnetisches Material mit schmaler Hystereseschleife). Für
Dauermagnete fordert man dagegen hohe Koerzitivfeldstärken und Remanenz, damit sie von fremden
Magnetfeldern nicht umgepolt werden können (hartmagnetisches Material mit
breiter
Hystereseschleife). Bei der Anwendung von Magnetisierungskurven für Berechnungszwecke im
magnetischen Kreis (siehe nächsten Abschnitt) geht man immer von einer eindeutigen
Magnetisierungskurve aus, d.h. man vernachlässigt die Hysterese.
Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die magnetischen Eigenschaften von Materialien:
Magnetisierungskurven für Stahlguss, Dynamoblech,
Grauguss und legiertes Blech