Koerzitivfeld

Ein magnetisiertes ferromagnetisches Material kann durch verschiedene Vorgänge entmagnetisiert werden. Beispielsweise durch starke Schläge auf das Material oder durch Hitze. Entmagnetisierung findet jedoch auch in einem äußeren entgegengerichteten Magnetfeld statt. Die zur Entmagnetisierung notwendige Gegenfeldstärke wird Koerzitivfeldstärke genannt.

Experimentelle Prüfung des Koerzitivfeldes

Um diese Behauptung experimentell zu prüfen, muss man ein ferromagnetisches Material zunächst magnetisieren. Dazu kann man ein eisenhaltiges Material, beispielsweise eine Schraube, zwischen den Nordpol und den Südpol zweier Permanentmagnete halten und diese dann vorsichtig in beide Richtungen von der Schraube wegziehen. Die Schraube wird dadurch magnetisiert und wirkt anschließend, z. B. auf Stecknadeln, magnetisch anziehend.

Die Magnetisierung der Schraube geht verloren, wenn diese stark erwärmt oder stark erschüttert wird (z.B. durch harte Schläge mit einem Hammer). Eine andere Möglichkeit, die Schraube zu entmagnetisieren, besteht darin, sie einem entgegengesetzt gepolten Magnetfeld auszusetzen. Dieses muss die Stärke der sogenannten Koerzitivfeldstärke besitzen. Wurde die Schraube magnetisiert, indem der Kopf der Schraube in Kontakt zu dem Nordpol eines Permanentmagneten stand, die Spitze dagegen Kontakt zum Südpol hatte, so kann die Schraube entmagnetisiert werden, indem sie einem schwächeren und entgegengesetzt gerichteten Magnetfeld ausgesetzt wird. Dabei muss der Kopf der Schraube zum Südpol eines Permanentmagneten Kontakt haben und die Spitze der Schraube zum Nordpol, also genau umgekehrt zur Magnetisierung. Würde man zur Entmagnetisierung Magnete verwenden, die so stark sind wie die Magnete, welche zur Magnetisierung verwendet wurden, so würde die Schraube erneut magnetisiert werden, nur mit umgekehrten Polen.

Wie misst man die Koerzitivfeldstärke?

Die Koerzitivfeldstärke (Hc) ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines magnetischen Materials gegenüber der Entmagnetisierung. Sie wird mittels Hysteresekurvenmessung (siehe Abbildung 1) ermittelt. Dazu wird das Material einem externen magnetischen Feld ausgesetzt, dessen Stärke schrittweise erhöht und dann wieder auf null reduziert wird. Die Koerzitivfeldstärke entspricht der Magnetfeldstärke, bei der die Magnetisierung des Materials auf null fällt. Dieser Wert ist auf der Hysteresekurve als Schnittpunkt der Kurve mit der horizontalen Achse, bei der die Magnetisierung null ist, ablesbar (In der Abbildung 1 ist dieser Schnittpunkt mit Hc markiert).

Ein experimenteller Aufbau zur Messung der Hysteresekurve umfasst typischerweise eine Probe des zu untersuchenden Materials, eine Spule zur Erzeugung des magnetischen Feldes, ein Magnetometer zur Messung der Magnetisierung der Probe und ein Steuergerät, das das externe Magnetfeld variiert. Die Probe wird in die Spule gelegt, und das Steuergerät erhöht schrittweise die Stromstärke durch die Spule, ändert die Richtung des Stroms und reduziert sie wieder, um ein zyklisches magnetisches Feld zu erzeugen. Die Magnetisierung der Probe wird kontinuierlich gemessen und in Beziehung zum angelegten Magnetfeld gesetzt, um die Hysteresekurve zu erstellen (Abbildung 2).

Die Abbildung 2 zeigt einen experimentellen Aufbau zur Messung der Koerzitivfeldstärke. Zunächst wird eine Spannung U angelegt und dadurch der Strom I durch die Spule sukzessive erhöht. Dies führt zu einer magnetischen Flussdichte B, die das ferromagnetische Material in der Spule magnetisiert und ein Magnetfeld H verursacht, das mit einer Hall-Sonde gemessen werden kann. Dreht man nun die Spannung U auf Null, so fließt kein Strom mehr durch die Spule und die äußere Flussdichte B ist Null. Die verbleibende gemessene Feldstärke Hc auf der Hall-Sonde ist dann die Koerzitivfeldstärke (vgl. Abbildung 1).

Unterschied zwischen den Koerzitivfeldstärken bH_c und jH_c

Um die magnetische Flussdichte im Inneren des Materials vollständig verschwinden zu lassen, muss man ein äußeres Magnetfeld der Koerzitivfeldstärke H_c anlegen.

Man unterscheidet dabei zwischen zwei verschiedenen Koerzitivfeldstärken:

• Die Koerzitivfeldstärke bH_c ist die Koerzitivfeldstärke der Flussdichte.
• Die Koerzitivfeldstärke jH_c, welche als Koerzitivfeldstärke der Magnetisierung (bzw. der magnetischen Polarisation) bezeichnet wird.

Dies soll im Folgenden näher erläutert werden:

Wird ein magnetisiertes Material (kurz: Magnet) einer Feldstärke von bH_c ausgesetzt, verschwindet die magnetische Flussdichte im Magneten. Im Inneren des Magneten ist die magnetische Flussdichte dann null. Allerdings nur deshalb, weil die verbleibende Magnetisierung durch das äußere entgegengesetzte Feld gerade kompensiert wird. Beide Felder heben sich im Inneren auf. Das Material selbst ist also immer noch magnetisch. Man merkt das sofort, wenn das äußere Gegenfeld wieder abschaltet wird. Von dem Material gehen dann immer noch magnetische Kräfte aus.

Wird die äußere Feldstärke auf jH_c erhöht, also das entgegengesetzte Feld in seiner Stärke vergrößert, so wird der Magnet dauerhaft entmagnetisiert.

In obiger Abbildung 1 ist als H_c die Feldstärke bH_c eingezeichnet. Die magnetische Flussdichte B im Inneren des Magneten ist nur null, so lange bH_c anliegt. Die dauerhaft entmagnetisierende Feldstärke jH_c ist nicht eingezeichnet und vom Betrag her größer als bH_c. Diese Koerzitivfeldstärke der Magnetisierung jH_c kompensiert nicht etwa nur das Magnetfeld der ausgerichteten atomaren Spins im Material, sondern sie führt zu einer Aufhebung der Stabilisation der Spinausrichtung durch die Austauschwechselwirkung. Die magnetische Feldstärke im Inneren des Magneten ist bei Gegenfeldern größer als bH_c nicht null, sondern hat einen bestimmten Betrag. Sie ist aber den ausgerichteten Atomaren Spins gerade entgegengerichtet und versucht, diese umzudrehen. Bei jH_c kann das Magnetfeld die Austauschwechselwirkung überwinden und führt tatsächlich dazu, dass die Atomaren Spins umgedreht werden. Das Material ist damit entmagnetisiert. Bei einer weiteren Steigerung der Magnetfeldstärke kommt es zu einer neuen Ausrichtung der Atomaren Spins in umgekehrter Richtung. Es kann eine erneute Magnetisierung festgestellt werden, jedoch mit umgekehrter magnetischer Polarisation, also mit vertauschten Polen im Vergleich zur ursprünglichen Polung des Magneten.