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Magnetismus

Magnetismus ist eine der grundlegenden Erscheinungen in der Natur. Unter Magnetismus versteht man die Eigenschaft magnetischer Körper und elektrischer Ladungsträger, Kräfte aufeinander auszuüben. Die Wirkung der magnetischen Kräfte wird durch magnetische Feldlinien beschrieben.

Magnetismus von Festkörpern

Bei Festkörpern können verschiedene Arten von Magnetismus auftreten.

Diamagnetismus

Ein diamagnetischer Stoff wird in einem magnetischen Feld nicht in Feldrichtung, sondern senkrecht zum Feld magnetisiert. Er richtet sich folglich senkrecht zum Feld aus. Die Erscheinung des Diamagnetismus begründet sich in der Induktion eines gegenläufigen magnetischen Momentes im Magneten, bei Einwirkung eines äußeren Feldes. Der Diamagnetismus ist ein sehr schwacher Effekt und in der Praxis so gut wie nicht wahrnehmbar.

Paramagnetismus

Paramagnetismus tritt bei Stoffen auf, deren Elementarmagnete sich unter Einwirkung eines äußeren Feldes ausrichten. Paramagnetische Stoffe sind sehr schwach magnetisch. Ihre Suszeptibilität ist viel kleiner als Eins. Zu den Paramagnetischen Stoffen gehören zum Beispiel Sauerstoff, Platin, die Salze der seltenen Erden, die Salze der Ferromagnetika und auch die Alkalimetalle.

Ferromagnetismus

Ferromagnetika sind die stark magnetischen Stoffe. Zu den Ferromagnetika gehören Eisen, Nickel, Kobalt und Gadolinium. Bei sehr tiefen Temperaturen sind auch die Seltenerdmetalle Dysprosium, Thulium, Holmium und Terbium ferromagnetisch. Es gibt aber noch viele weitere ferromagnetische Stoffe, bedingt durch die zahlreich vorhandenen Legierungen ferromagnetischer Stoffe.

Hystereseerscheinungen in Ferromagnetika

Wird ein unmagnetisiertes Ferromagnetikum magnetisiert, so erhöht sich die Flussdichte im Ferromagnetikum von Null beginnend mit Zunahme des von Außen einwirkenden Feldes. Ab einem gewissen Punkt nimmt die Magnetisierung auch bei Erhöhung der Feldstärke nicht mehr weiter zu. Die magnetische Sättigung ist erreicht. Bei anschließender Reduktion des angelegten Feldes ergibt sich ein anderer Verlauf der Magnetisierung. Auch bei einer Feldstärke von Null ist noch ein Restmagnetismus vorhanden. Dieser Effekt wird als Remanenz bezeichnet. Die in diesem Punkt im Magneten herrschende Flussdichte ist die Remanenzflussdichte . Um die Magnetisierung auf Null zu bringen, muss ein Feld in Gegenrichtung angelegt werden. Die Feldstärke, bei der die Magnetisierung Null wird, ist die Koerzitivfeldstärke . Es ergibt sich so eine Hysteresekurve für den Zusammenhang zwischen äußerem Feld und Magnetisierung.




Abbildung: Hystereseschleife eines Permanentmagneten

Stoffe die eine hohe Koerzitvfeldstärke besitzen, haben eine breite Hystereseschleife. Sie heißen hartmagnetische Werkstoffe und werden zur Herstellung von Permanentmagneten verwendet.

Stoffe mit einer niedrigen Koerzitivfeldstärke haben eine schmale Hystereseschleife. Sie heißen weichmagnetische Werkstoffe und werden zur Herstellung von elektrischen Maschinen verwendet.

Magnetische Anisotropie

Alle gegenwärtig bekannten Ferromagnetika sind kristalline Körper. Die physikalischen Eigenschaften von Kristallen sind anisotrop. In verschiedenen Raumrichtungen können sich unterschiedliche Eigenschaften ergeben. Bei Ferromangetika bezieht sich dies im Wesentlichen auf die Magnetisierbarkeit. Je nach Ausrichtung des magnetisierenden Feldes zum Kristall lassen sich Ferromagnetika unterschiedlich gut magnetisieren.

Ferritmagnetismus, Ferrite

Ferrimagnetika, oder auch Ferrite sind Stoffe, die eine spontane Magnetisierung aufweisen. Sie besitzen üblicherweise eine hohe magnetische Permeabilität, kleine Koerzitivkraft, große magnetische Sättigung  und einen großen elektrischen Widerstand. Sie werden daher sehr oft in der Hochfrequenztechnik eingesetzt. Mittlerweile können Ferrite auch mit spezielleren Eigenschaften, wie zum Beispiel rechteckiger Hystereseschleife, großer Anfangspermeabilität oder großer Koerzitivkraft hergestellt werden.

Magnetische Werkstoffe

Für weichmagnetische Werkstoffe werden überwiegend Eisenlegierungen verwendet. Dabei wird durch Zusetzen von beispielsweise Silicium einerseits der magnetische Widerstand verringert, der elektrische Widerstand gleichzeitig erhöht. Damit eignen sich Eisen-Silizium-Legierungen für die Verwendung in allen elektrischen Maschinen. Bei hartmagnetischen Werkstoffen sind eine hohe Koerzitivkraft und starke remanente Magnetisierung wichtig. Um dies zu erreichen, müssen die auftretenden Wandverschiebungen zwischen den weiß’schen Bezirken möglichst gering gehalten werden. Dazu werden die weiß’schen Bezirke möglichst klein gehalten. Am besten gelingt dies durch Pressen von feinkörnigem ferromagnetischen Pulver. Durch feines Zermalen und Pressen kann man sogar weichmagnetische Werkstoffe hartmagnetisch machen.



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