Stoffe im Magnetfeld

Untersuchen kann man das beispielsweise so, dass man verschiedene Stoffe in das Magnetfeld einer Spule bringt und prüft, in welcher Weise das Magnetfeld der Spule durch den eingebrachten Stoff beeinflusst wird. Dabei zeigt sich:

Beim Einbringen von Stoffen in ein Magnetfeld vergrößert oder verkleinert sich die magnetische Flussdichte im Vergleich zu der im Vakuum.
Bezeichnet man die magnetische Flussdichte im Vakuum mit $B_0$
und die mit dem Stoff mit B, dann ist der Quotient $\frac{B}{B_0}$ ein Maß dafür, wie durch den Stoff das Magnetfeld beeinflusst wird. Der genannte Quotient wird in der Physik als Permeabilitätszahl oder relative Permeabilität bezeichnet. Es gilt also:
$\begin{array}{l}{\mu }_r=\frac{B}{B{}_0}\text{mit}B{}_0={\mu }_0\cdot H\\ B\text{magnetische Flussdichte mit Stoff}\\ B{}_0\text{magnetische Flussdichte im Vakuum}\\ {\mu }_0\text{magnetische Feldkonstante}\\ H\text{magnetische Feldstärke}\end{array}$

Nach dem Wert der Permeabilitätszahl unterscheidet man drei Gruppen von Stoffen:

• Ferromagnetische Stoffe (Eisen, Nickel, Cobalt und verschiedene Legierungen) haben eine Permeabilitätszahl, die wesentlich größer als 1 ist und Werte von mehr als 100, bei speziellen Legierungen auch weit über 1000 annehmen kann. Solche Stoffe verstärken erheblich die magnetische Flussdichte eines Magnetfeldes.
• Paramagnetische Stoffe (z.B. Aluminium, Platin, Luft) haben eine Permeabilitätszahl, die nur wenig größer als 1 ist. Solche Stoffe verstärken ein Magnetfeld nur geringfügig.
• Diamagnetische Stoffe (z.B. Wasser, Zink, Kupfer oder Glas) haben eine Permeabilitätszahl, die wenig kleiner als 1 ist. Solche Stoffe schwächen ein Magnetfeld nur geringfügig.

In der nachfolgenden Übersicht sind einige Werte für die Permeabilitätszahl genannt.

Die Besonderheiten ferromagnetischer Stoffe

Bereits AMPERE äußerte die Vermutung, dass ferromagnetische Stoffe aus kleinsten Magneten, den Elementarmagneten, aufgebaut sind. Spätere Untersuchungen, an denen der Physiker PIERRE ERNEST WEISS (1865-1940) maßgeblich beteiligt war, bestätigten diese Hypothese: In ferromagnetischen Stoffen gibt es kleinste Bereiche mit gleicher magnetischer Ausrichtung, die man nach dem Physiker WEISS als weißsche Bezirke bezeichnet (Bild 3). In unmagnetisiertem Eisen haben diese Bezirke eine zufällige Ausrichtung, sodass sich die magnetischen Wirkungen gegenseitig aufheben. Bringt man aber einen solchen ferromagnetischen Stoff in ein Magnetfeld, so richten sich die weißschen Bezirke nach diesem äußeren Magnetfeld aus. Der Stoff wird selbst zum Magneten und verstärkt das äußere Magnetfeld.

Magnetisierung, Restmagnetismus, Entmagnetisierung

Bringt man unmagnetisiertes Eisen in ein Magnetfeld, so richten sich die weißschen Bezirke nach diesem äußeren Magnetfeld aus und verstärken es. Dafür gibt es aber eine Grenze. Sie ist erreicht, wenn alle weißschen Bezirke nach dem äußeren Feld ausgerichtet sind. Diesen Zustand bezeichnet man als magnetische Sättigung. Eine weitere Verstärkung des äußeren Magnetfeldes führt zu keiner Änderung im ferromagnetischen Stoff.
Wird das äußere Magnetfeld abgeschaltet oder entfernt, so bleibt die Ausrichtung der weißschen Bezirke über einen längeren Zeitraum zumindest bis zu einem gewissen Grade erhalten. Der betreffende Stoff weist dann einen Restmagnetismus auf, der in der Physik auch als remanenter Magnetismus bezeichnet wird. Untersucht man die Zusammenhänge zwischen der Feldstärke eines äußeren Magnetfeldes und der magnetischen Flussdichte in einem ferromagnetischen Stoff genauer, so ergibt sich der in Bild 4 dargestellte Zusammenhang:

• Wird das äußere Feld der Feldstärke H (oder der magnetischen Flussdichte B) allmählich verstärkt, so richten sich die weißschen Bezirke im ferromagnetischen Stoff aus, der magnetische Fluss in ihm nimmt bis zur magnetischen Sättigung zu, die im Punkt M erreicht ist. Der Vorgang wird durch die in Bild 4 rot eingezeichnete Kurve (1) beschrieben, die man auch jungfräuliche Kurve oder Neukurve nennt.
• Wird die Feldstärke H des äußeren Feldes bis auf null verringert, dann geht der magnetische Fluss im Stoff nicht auf null zurück. Es bleibt ein Restmagnetismus.
• Wird die Richtung der Feldstärke des äußeren Feldes umgekehrt und allmählich wieder vergrößert, dann erreicht die Flussdichte im Stoff 0 (Entmagnetisierung). Bei weiterer Verstärkung des äußeren Feldes erfolgt eine Magnetisierung in der umgekehrten Richtung, bis im Punkt N wieder magnetische Sättigung erreicht ist (Kurve 2).
• Eine Verringerung der Feldstärke des äußeren Feldes führt zu einer Verringerung der Magnetisierung im Stoff, die auch bei der äußeren Feldstärke null vorhanden ist. Umpolung und Verstärkung des äußeren Feldes führt wieder zur Magnetisierung, deren maximaler Wert wieder in Punkt M erreicht ist (Kurve 3).

Der gesamte beschriebene Vorgang wird als Hysteresis bezeichnet, die in Bild 4 dargestellte Kurve als Hysteresisschleife. Die Fläche, die diese Schleife einschließt, ist ein Maß für die Energie, die zur Ummagnetisierung erforderlich ist und die als thermische Energie freigesetzt wird. Man nennt sie auch Hysteresisverluste.

Die Entmagnetisierung eines ferromagnetischen Stoffes kann durch ein äußeres Magnetfeld erfolgen. Sie tritt auch auf, wenn ein solcher Stoff stark erhitzt wird. Die Grenztemperatur bezeichnet man als CURIE-Punkt. Auch durch starke mechanische Stöße, etwa durch das Bearbeiten mit einem Hammer, kann eine Entmagnetisierung hervorgerufen werden.

Magnetisch weiche und magnetisch harte Stoffe

Stoffe, die sich leicht magnetisieren lassen, diesen Magnetismus aber auch leicht wieder verlieren, nennt man magnetisch weiche Stoffe. Dazu gehört z.B. Weicheisen und eine Reihe von Legierungen.
Stoffe, die ihren Magnetismus nach einer Magnetisierung über einen langen Zeitraum weitgehend beibehalten, nennt man magnetisch harte Stoffe. Dazu gehören alle Stoffe, Legierungen und gesinterte Materialien, aus denen Permanentmagnete hergestellt sind. Eine für die Technik besonders wichtige Gruppe magnetischer Stoffe sind die Ferrite, die aus Eisenoxid und einem oder mehreren Oxiden zweiwertiger Metalle bestehen.