Koerzitivfeldstärke
Magnetische Koerzitivfeldstärke (Hc) bezeichnet die magnetische Feldstärke, die benötigt wird, um einen aufgeladenen Magneten vollständig zu entmagnetisieren.
Was bedeutet Koerzitivfeldstärke?
Als magnetische Koerzitivfeldstärke wird die magnetische Feldstärke bezeichnet, die man aufbringen muss, um einen vorher bis zu seiner Sättigungsflussdichte aufgeladenen Ferritmagneten zu entmagnetisieren.
Entmagnetisieren bedeutet dabei, dass der Gesamtfluss oder die lokale Flussdichte gleich null ist.
Dies passiert, wenn sich ein Permanentmagnet in einem umgekehrt polarisierten Magnetfeld der Koerzitivfeldstärke Hc befindet. Wird ein Magnet nun einem Gegenfeld ausgesetzt, hängt es nun von seiner Koerzitivfeldstärke ab, wie gut der Magnet seine Magnetisierung behalten kann. Grundsätzlich gilt die Regel: Je höher die Koerzitivfeldstärke eines Magneten, desto besser kann ein Magnet seine Magnetisierung auch behalten.
Unterscheidung von Koerzitivfeldstärke HcB und HcJ
Man unterscheidet bei Koerzitivfeldstärken zwischen der Koerzitivfeldstärke (HcB) der magnetischen Flussdichte und der Koerzitivfeldstärke (HcJ) der magnetischen Polarisation:
Ein Permanentmagnet verliert seine magnetische Flussdichte, wenn er einer Feldstärke HcB ausgesetzt wird, er bleibt aber immer noch magnetisch, wenn er aus dem Feld entfernt wird.
Der Magnet selbst ist also immer noch magnetisch. Die von ihm erzeugte Flussdichte ist aber entgegengesetzt genau gleich groß wie die Flussdichte des entmagnetisierenden Feldes, so dass sich die beiden Größen gegenseitig aufheben und man keine Wirkung spürt.
Das Material, also der Magnet, selbst ist demnach aber immer noch magnetisch. Das bemerkt man, wenn das äußere Gegenfeld wieder abschaltet oder entfernt wird: Von dem Magneten gehen jetzt immer noch magnetische Kräfte – als eine Remanenz – aus.
Erst eine Feldstärke HcJ führt zu einer Polarisation und dadurch verliert der Magnet seine Magnetisierung vollständig und dauerhaft. Jetzt ist er nicht mehr magnetisch, bevor er neu magnetisiert wird, wenn dies gewünscht ist.
In der gleichen Weise kann auch die elektrische Koerzitivfeldstärke definiert werden.
Messen der Koerzitivfeldstärke
Alle magnetischen Felder werden in der SI-Maßeinheit A/m (Ampere pro Meter) gemessen.
Vereinzelt findet man noch die veraltete Messeinheit Oe (Oersted). Als Umrechnungshilfe: 1 Oe entspricht dabei ungefähr 80 A/m.
Messen kann man magnetische Koerzitivfeldstärke mit einem Gerät, einem sogenannten Koerzimeter. Dieser Koerzimeter misst in Abhängigkeit einer äußeren magnetischen Feldstärke die Polarisation über Induktion in einer bewegten Spule.
Um eine elektrische Koerzitivfeldstärke messen zu können, werden auf dem zu messenden Material feste Elektroden in der Anordnung eines Plattenkondensators aufgedampft.
Aus dem Umladestrom sowie der gemessenen Spannung kann die Plattenladung und zusammen mit der Messung der elektrischen Feldstärke auch die elektrische Verschiebung bestimmt werden.
Verschiedene Materialien haben unterschiedliche magnetische Koerzitivfeldstärken, wie erwähnt, gemessen in A/m: Während technisch reines Eisen eine Wert von 10 bis 200 A/m hat, hat Nickeleisen (50% Nickel) einen Wert von 3 bis 16 und Neodym-Eisen-Bos einen Wert von (0,87 bis 2,75) x 106.
Man erkennt sehr schnell, wie unterschiedlich die Materialien in Bezug auf ihre Koerzitivfeldstärken sind.
Gründe für die Bestimmung der Koerzitivfeldstärke
Warum ist es denn nun wichtig, die Koerzitivfeldstärke zu messen und zu kennen?
Die Messung der Koerzitivfeldstärke hilft insbesondere bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von ferromagnetischen Stoffen und Materialien, wie zum Beispiel Eisen oder Stahl als Konstruktionswerkstoffe. Hier ist es wichtig, die Gefügeeigenschaften, eventuelle thermische Vorbehandlungen oder auch vorausgegangene plastische Verformungen zu prüfen und zu kennen. Die mechanische Härte korrespondiert hier mit der Koerzitivkraft, d. h. mit der magnetischen Härte.
Magnetische Koerzitivfeldstärken
Die ermittelten Werte der magnetischen Koerzitivfeldstärke von ferromagnetischen und ferrimagnetischen Materialien schwanken bei ähnlicher oder sogar gleicher Zusammensetzung zum Teil sehr deutlich. Die Feldstärke hängt nämlich neben der Zusammensetzung auch von Faktoren, wie der Kristallstruktur und deren Größe, den in Legierung vorkommenden Mischphasen und dem Eigenspannungszustand ab. Der Eigenspannungszustand beschreibt, ob ein Material gehärtet, kaltverformt, angelassen oder geglüht wurde.
Remanenz
Die Remanenz wurde vorhin schon angesprochen: Setzt man sowohl ferromagnetische als auch ferrimagnetische Stoffe einem Magnetfeld aus, bleibt auch nach dem Entfernen des Magnetfeldes noch ein Restmagnetismus übrig. Dieser Restmagnetismus wird auch Remanenz genannt.
Ferrimagnetische Stoffe unterscheiden sich von ferromagnetischen Stoffen nicht in der Anordnung der sogenannten Weiß-Bezirken in der Kristallstruktur, sondern durch die magnetische Ordnung ihrer Elementarmagnete, die durch eine energetisch günstige Ausrichtung zustande kommt.
Die Magnetisierungen zweier benachbarter Elementarmagneten heben sich teilweise auf, wodurch die Weiß-Bezirke deutlich schwächer magnetisiert sind. Das makroskopische Verhalten ist somit eine schwächere Form des Ferromagnetismus.
Die elektrische Koerzitivfeldstärke wird benötigt, um die die remanente Polarisation eines Ferroelektrikums aufzuheben. Auch hier gilt: Je höher die Feldstärke, desto besser behält das Material seine Polarisation. Die Feldstärke hat außerdem Einfluss auf die Piezoelektrizität. Piezoelektrizität beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und das Auftreten einer elektrischen Spannung, wenn sie elastisch verformt werden).
Hysterese
Die Hysterese ist wörtlich eine „Nachwirkung“, also eine verzögerte Wirkungsänderung nach der Änderung einer Ursache. Diese Nachwirkung tritt insbesondere bei der Magnetisierung von Magneten auf und sie charakterisiert ein variant verzögertes Verhalten der bewirkten Ausgangsgröße, welche ihr Maximum oder ihr Minimum erreicht hat.
Ein bekanntes Phänomen ist das Hystereseverhalten eines Ferromagneten in einem Magnetfeld. Ein nicht magnetisierter Ferromagnet, der einem externen Magnetfeld ausgesetzt wurde, welches danach wieder abgeschaltet wird, behält je nach Polung des externen Magnetfeldes eine positive oder eine negative Magnetisierung.
