Wie funktioniert magnetische Hysterese? Physikalische Grundlagen

Magnetische Hysterese ist ein Phänomen, das bei ferromagnetischen Materialien auftritt, die sich in einem veränderlichen Magnetfeld befinden. Aus Sicht der Werkstofftechnik und Werkstoffprüfung interessiert uns die Hysterese von Ferromagneten z bei der Herstellung von Dauermagneten, in der Magnetpulverprüfung sowie bei der Wirbelstromprüfung. Zu den ferromagnetischen Werkstoffen zählen unter anderem Kobalt und seine Legierungen, Nickel und seine Legierungen sowie Eisen und seine Legierungen – beispielsweise Stähle.

Was bedeutet eigentlich „Hysterese“?

Der Begriff Hysterese stammt vom griechischen Wort hysteros und bedeutet „Verzögerung“ oder „Verzug“. Diese einfache Übersetzung ist bereits ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis des Phänomens: Bei der magnetischen Hysterese folgt die Reaktion eines Materials dem äußeren Magnetfeld nicht sofort, sondern mit einer gewissen Verzögerung.

Beschreibung der magnetischen Hysterese

Ein unmagnetischer Ferromagnet besitzt grundsätzlich das Potenzial, ein Dauermagnet zu werden – ist aber zunächst noch keiner. Platzieren wir ein solches Material in einem Magnetfeld, etwa indem wir es in eine stromdurchflossene Spule legen, wirkt ein äußeres Magnetfeld H auf den Werkstoff. Dieses Feld erzeugt im Material eine magnetische Flussdichte B.

Vereinfacht gesagt: H ist die äußere „Kommandogröße“ und B ist die Reaktion des Werkstoffs auf dieses Kommando. Die magnetische Hysterese beschreibt also den Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und magnetischer Flussdichte

Die Hysteresekurve

Um eine Hysteresekurve experimentell zu bestimmen, wird ein zunächst unmagnetischer Ferromagnet in eine Spule gelegt, durch die zunächst kein Strom fließt. Damit gilt: H = 0 und B = 0. Wir befinden uns also im Koordinatenursprung der Hysteresekurve.

Wird nun die Stromstärke in der Spule erhöht, steigt die Feldstärke H. Die magnetische Flussdichte B reagiert zunächst nur schwach, steigt dann jedoch sehr schnell an und erreicht schließlich bei einer bestimmten Feldstärke +HS die Sättigung.

Ab diesem Punkt verändert sich B kaum noch, selbst wenn H weiter erhöht wird. Dieser Kurvenverlauf wird als Neukurve bezeichnet und tritt nur bei zunächst unmagnetischen Ferromagneten auf.

Remanenz und Koerzitivfeldstärke

Wird das äußere Magnetfeld anschließend wieder reduziert, folgt das Material nicht der Neukurve, sondern der eigentlichen Hysteresekurve zurück. Dabei bleibt bei H = 0 eine magnetische Flussdichte +BR erhalten – die Remanenz.

Der Begriff Remanenz stammt vom lateinischen „remanere“ und bedeutet „das, was übrig bleibt“. Genau diese verbleibende Magnetisierung ist dafür verantwortlich, dass ein Dauermagnet dauerhaft magnetisch bleibt.

Wir ändern nun die Richtung des äußeren Feldes H, indem wir beispielsweise den Stromfluss in der Spule umkehren, und erhöhen H wieder. Anschließend beobachten wir B. Bei einer bestimmten Feldstärke, der sogenannten Koerzitivfeldstärke (HC), messen wir B = 0. Das lateinische Wort coercere bedeutet „in die Schranken verweisen“.

HC ist also die Feldstärke, die nötig ist, um B in seine „Schranken zu verweisen“ (B = 0 zu erzwingen). Erhöhen wir H weiter, so erreichen wir einen weiteren Sättigungspunkt (-HS). Durch Umkehrung der Richtung von H und Änderung seiner Größe können wir nun auf der Hysteresekurve zwischen den Punkten +HS, +BR, -HC, -HS, -BR, +HC und +HS umlaufen.

Weichmagnete und Hartmagnete

Ferromagnetische Werkstoffe zeigen unterschiedliche Hysteresekurven. Weichmagnetische Werkstoffe besitzen schmale Hysteresekurven mit kleiner Remanenz und geringer Koerzitivfeldstärke. Hartmagnetische Werkstoffe besitzen breite Hysteresekurven mit großer Remanenz und hoher Koerzitivfeldstärke. Diese Unterschiede hängen eng mit der mikroskopischen Struktur der Materialien zusammen.

Physikalische Grundlage: Weißsche Bezirke

Ferromagnetische Werkstoffe zeigen ein kollektives Verhalten vieler Atome. Die magnetischen Momente zahlreicher Atome sind in bestimmten Bereichen gleich ausgerichtet und bilden kleine magnetische Domänen. Diese Bereiche nennt man Weißsche Bezirke.

In einem unmagnetisierten Ferromagneten sind diese Bezirke in verschiedene Richtungen orientiert, sodass sich ihre magnetischen Wirkungen gegenseitig aufheben. Wird jedoch ein äußeres Magnetfeld angelegt, beginnen sich die magnetischen Momente in Richtung dieses Feldes auszurichten. Je stärker das Feld wird, desto stärker erfolgt diese Ausrichtung – bis schließlich eine magnetische Sättigung erreicht ist.

Warum entsteht Hysterese?

Die magnetischen Momente folgen dem äußeren Feld nicht sofort, sondern mit einer zeitlichen Verzögerung. Der Grund liegt in inneren Widerständen im Material, beispielsweise Kristallbaufehler, Versetzungen, Ausscheidungen und Fremdatome.

Damit sich die magnetischen Momente drehen oder verschieben können, müssen sie zunächst diese Widerstände überwinden. Dafür ist Energie erforderlich, die sich zunächst im System ansammeln muss. Diese Verzögerung zwischen Ursache (H) und Reaktion (B) ist genau das, was wir als magnetische Hysterese beobachten.

Die Bedeutung der Hysteresefläche

Die Energie, die benötigt wird, um die magnetischen Momente umzuorientieren, spiegelt sich in der Fläche der Hysteresekurve wider:

• Große Fläche → hoher Energieaufwand → breite Hysteresekurve
• Kleine Fläche → geringer Energieaufwand → schmale Hysteresekurve

Das erklärt auch den Unterschied zwischen Hartmagneten und Weichmagneten.

Hartmagnete haben eine breite Hysteresekurve, weil die Prozesse, die den Werkstoff hart machen, die Drehung der magnetischen Momente behindern. Das macht es erforderlich, zunächst Energie für den Drehprozess zu sammeln, was Zeit benötigt (Verzögerung). Die Fläche, die die Hysteresekurve umschließt, ist ein Maß für die Energie, die für diese Umorientierung benötigt wird. Weichmagnete (z. B. Stähle mit wenig Kohlenstoff) setzen der Umorientierung einen geringen Widerstand entgegen, folglich haben sie eine schmale Hysteresekurve.

Die Breite der Hysteresekurve und die Größe der Verzögerung zwischen Feldstärke H und Flussdichte B hängen also davon ab, wie viel Energie zur Verfügung gestellt werden muss, um die inneren Widerstände zu überwinden. Ist genügend Energie vorhanden, erfolgen die Drehungen der Weißschen Bezirke und damit die Änderung der magnetischen Flussdichte B sehr schnell. Diese schnelle Änderung ist auch der Grund für die etwas „viereckige“ Form der Hysteresekurve.

Ein anschaulicher Vergleich

Der Prozess lässt sich gut mit einem einfachen Beispiel vergleichen: Man legt ein Gewicht auf einen Teppich, befestigt ein Gummiseil daran und beginnt daran zu ziehen. Zunächst passiert gar nichts – obwohl das Seil bereits gespannt ist. Erst wenn genügend Energie im Gummiseil gespeichert ist, wird die Haftreibung überwunden, und das Gewicht bewegt sich plötzlich. Je rauer der Teppich, desto mehr Energie ist nötig – und desto größer ist die Verzögerung.

Ganz ähnlich verhält sich ein ferromagnetischer Werkstoff beim Umlagern seiner Weißschen Bezirke.

Technische Anwendungen

Werkstoffe mit schmalen Hysteresekurven (Weichmagnete) werden überall dort eingesetzt, wo beim Ummagnetisieren möglichst wenig Energie verloren gehen soll. Ein klassisches Beispiel ist der Kern eines Transformators, der die Primär- und die Sekundärspule miteinander „verbindet“.

Werkstoffe mit breiten Hysteresekurven, also Hartmagnete, finden dagegen dort technische Anwendung, wo sich der Werkstoff möglichst schwer ummagnetisieren lassen soll. Ein Beispiel hierfür ist der Dauermagnet, der seiner Ummagnetisierung bzw. Entmagnetisierung einen großen Widerstand entgegensetzen soll (er soll schließlich ein Dauermagnet bleiben).