Magnetische Sättigung

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Was versteht man unter magnetischer Sättigung?

Wird ein ferromagnetischer Körper magnetisiert, so steigen die magnetischen Kräfte zunächst proportional zur Stärke des magnetisierenden Feldes an. Irgendwann jedoch wird eine Sättigung erreicht und die magnetischen Kräfte steigen kaum noch. Dieser Effekt wird magnetische Sättigung genannt und ist der Grund für die begrenzte Stärke von Permanentmagneten. Wegen der magnetischen Sättigung kann es keine beliebig starken Magnete geben.

Inhaltsverzeichnis

Physikalische Erklärung

Die Sättigungsmagnetisierung ist die maximal mögliche Magnetisierung eines Materials. Diese Tatsache wird als Magnetische Sättigung bezeichnet. Versucht man, die Magnetisierung noch weiter zu erhöhen, so verhält sich das Material bei einer weiteren Erhöhung des äußeren Magnetfeldes wie der leere Raum (das Vakuum). Wie die Magnetisierung selbst kann auch die magnetische Sättigung besonders bei ferromagnetischen Stoffen beobachtet werden.

Wird ein Ferromagnet in ein äußeres Magnetfeld H eingebracht, so steigt die magnetische Flussdichte B sehr stark an. Dies liegt daran, dass durch das Magnetfeld die Elektronenspins in der Materie des Ferromagneten ausgerichtet werden und sich die magnetischen Momente dieser Spins, also die elementaren Magnete im Material, parallel anordnen. Dieser Prozess wird auch magnetische Polarisation genannt. Dadurch wird das äußere Feld verstärkt, wodurch es zu einem starken Anstieg der magnetischen Flussdichte und des Magnetfeldes außerhalb des Ferromagneten kommt.

Irgendwann jedoch sind alle vorhandenen Spins parallel ausgerichtet.

In diesem Fall ist keine weitere Verstärkung des äußeren Magnetfeldes mehr möglich, wenn dieses noch weiter erhöht wird. Die Flussdichte verhält sich dann bei einer weiteren Vergrößerung des äußeren Magnetfeldes wie im Vakuum.

Experiment zur magnetischen Sättigung

Im Experiment kann magnetische Sättigung beobachtet werden. Dazu benötigt man eine Spule mit Eisenkern, eine regelbare Spannungsquelle und ein Messgerät für die magnetische Flussdichte, z. B. eine Hall-Sonde. Im Experiment wird dann die magnetische Flussdichte an der Oberfläche des Eisenkerns in Abhängigkeit vom angelegten Strom gemessen. Wenn man den Strom durch die Eisenspule vergrößert, so steigt die magnetische Flussdichte zunächst deutlich an. Bei einer Verdopplung des Stroms verdoppelt sich näherungsweise auch die Flussdichte. Ab einem gewissen Punkt jedoch kommt es zu einem Sättigungseffekt und die magnetische Flussdichte wird nur noch sehr langsam ansteigen. Dann ist die magnetische Sättigung des Eisenmaterials erreicht. Dies ist bei Eisen bereits bei einer Flussdichte von 1–2 Tesla der Fall.

Die Abbildung zeigt den Verlauf der magnetischen Flussdichte B bei der Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials in einer Spule. Ohne Strom I (I =0) also ohne Spannung U (U=0) sind die Elektronenspins (rot eingezeichnet) nur in Weißschen Bezirken parallel ausgerichtet. Insgesamt hebt sich die Magnetisierung auf und ist im Außenraum Null (linkes Bild). Beim Anlegen eines Stroms I₁ (Erhöhung der Spannung U bis auf den Wert U₁) steigt die magnetische Flussdichte B stark an (auf den Wert B₁), weil die verschiedenen Weißschen Bezirke verschmelzen und sich mehr und mehr atomare Spins parallel ausrichten. Wird der Spulenstrom I dann noch weiter auf den Wert I₂ erhöht, der viel größer sein kann als I₁, so beobachtet man, dass die magnetische Flussdichte und damit die magnetischen Kräfte nur noch schwach ansteigen (auf den Wert B₂, der nur wenig größer ist als B₁). Es sind dann alle Spins parallel ausgerichtet und die weitere Erhöhung des Stroms bringt nur noch einen schwachen Anstieg der magnetischen Kräfte.

Was passiert im Bereich der Sättigungsmagnetisierung?

Im Bereich der Sättigungsmagnetisierung sinkt die magnetische Permeabilität μ des Ferromagneten stark und nähert sich an den Wert μ=1 an. Damit sinkt auch die magnetische Leitfähigkeit des Ferromagneten auf den Wert des Vakuums.

Man kann sich dies so vorstellen, dass durch die Ausrichtung der atomaren Spins eine erhöhte Leitfähigkeit für magnetische Felder besteht. Durch einen Ferromagneten "passen" wesentlich mehr magnetische Feldlinien als durch das Vakuum. Wird das Feld jedoch so stark, dass diese erhöhte Leitfähigkeit maximal ausgeschöpft ist, so "passen" durch den Ferromagneten bei einer weiteren Vergrößerung des Magnetfeldes auch nicht mehr Feldlinien hindurch als durch das Vakuum. Dies passiert genau dann, wenn die Sättigungsmagnetisierung erreicht wird.

Wird ein ferromagnetischer Stoff der Sättigungsmagnetisierung ausgesetzt, so ist die maximale Anzahl atomarer Spins parallel ausgerichtet. Die Magnetisierung steigt nicht weiter an. In diesem Fall verbleibt auch die höchstmögliche Magnetisierung, wenn das äußere Feld (ohne es umzupolen) wieder abgeschaltet wird. Diese verbleibende Magnetisierung wird als Remanenz bezeichnet.

Die Abbildung zeigt eine Hysteresekurve eines magnetisch harten Materials, wie es beispielsweise in Transformatoren Verwendung findet. Der Punkt B_S bezeichnet dabei die Sättigungsmagnetisierung. Hier steigt die magnetische Flussdichte B bei einer weiteren Erhöhung des äußeren Magnetfeldes H nur noch schwach an (Steigung der schwarzen Gerade hat den Wert µ₀, da µ=1). Bei kleineren Magnetfeldern steigt die Magnetisierung um den Faktor µ stärker an (rote Gerade). Für Eisen kann µ den Wert von einigen tausend annehmen. Am Punkt der Sättigungsmagnetisierung ist µ=1. Der Punkt B_R bezeichnet die Remanenz, die verbleibt, wenn das äußere Feld nach einer magnetischen Sättigung wieder abgeschaltet wird.

Konsequenzen der Sättigungsmagnetisierung bei technischen Anwendungen

Die Sättigungsmagnetisierung führt dazu, dass ein Magnetfeld durch ein ferromagnetisches Material nicht mehr weiter verstärkt wird.

Dies führt bei zahlreichen technischen Anwendungen zu Nachteilen. Transformatoren beispielsweise sind Pärchen sich gegenüberstehender Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl. Die Spulen haben einen Eisenkern, wodurch es in der Spule zu einer sehr effizienten Umwandlung der elektrischen Energie in magnetische Energie eines starken Magnetfeldes kommt. Dieses Magnetfeld wiederum induziert in der gegenüberliegenden Spule einen Strom mit bestimmten durch die Eigenschaften dieser Spule einstellbaren Werten für Spannung und Strom, jedoch ähnlicher Gesamtleistung.

Besitzt der Eisenkern eine große magnetische Permeabilität μ, so ist dieses Verfahren zur Umwandlung der elektrischen Spannung sehr effizient. Es geht dann wenig Leistung verloren. Der Transformator kann beispielsweise die Steckdosenspannung von 220 V auf 12 V reduzieren, ohne dass dabei ein großer Verlust entsteht, weil der Strom im Primärkreis entsprechend niedrig ist. Im Bereich der Sättigungsmagnetisierung sinkt nun die Effizienz der Umwandlung von elektrischer in magnetische Energie und damit der Wirkungsgrad des Transformators. Sättigungsmagnetisierung ist deshalb in Transformatoren unerwünscht.

Luftspalt verhindert vorzeitige magnetische Sättigung

Durch einen Luftspalt, der in den Eisenkern geschnitten wird, kann erreicht werden, dass die Zunahme der magnetischen Flussdichte langsamer erfolgt und die magnetische Sättigung später eintritt. Der Luftspalt hat einen wesentlich höheren magnetischen Widerstand als der Eisenkern. Demnach behindert er die Magnetisierung des ferromagnetischen Materials. Insgesamt steigt die Magnetisierung des Transformatorkerns damit langsamer an als ohne Luftspalt. Jedoch ist die Magnetisierung dafür über einen weiten Bereich proportional zum äußeren Feld.

Somit hat in der Technik der Magnetfelder ein Luftspalt eine wirklich technische Bedeutung.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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