Ummagnetisierung
Ummagnetisierung bezeichnet die Änderung der magnetischen Ausrichtung eines ferromagnetischen, ferrimagnetischen oder vergleichbaren magnetischen Werkstoffs. Dabei wird die Richtung beziehungsweise der Zustand der Magnetisierung durch ein äußeres Magnetfeld, mechanische Einwirkungen, Temperaturänderungen oder andere physikalische Einflüsse verändert.
Grundlagen
In einem magnetischen Werkstoff sind die magnetischen Momente vieler Atome in sogenannten Weißschen Bezirken oder Domänen weitgehend gleichgerichtet. Ohne äußeres Magnetfeld können diese Domänen unterschiedlich orientiert sein, sodass der Werkstoff nach außen nur schwach oder gar nicht magnetisch erscheint.
Wird ein äußeres Magnetfeld angelegt, verschieben sich zunächst die Domänengrenzen. Bei stärker werdendem Feld drehen sich zusätzlich die magnetischen Momente in Feldrichtung. Der Werkstoff wird magnetisiert. Wird die Feldrichtung umgekehrt, kann sich auch die Magnetisierung umkehren: Dieser Vorgang wird als Ummagnetisierung bezeichnet.
Ummagnetisierungskurve und Hysterese
Der Verlauf einer Ummagnetisierung wird häufig anhand der Hysteresekurve dargestellt. Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke und der magnetischen Flussdichte beziehungsweise der Magnetisierung.
Wichtige Kenngrößen sind:
- Sättigungsmagnetisierung: Zustand, in dem die magnetischen Momente nahezu vollständig ausgerichtet sind.
- Remanenz: Magnetisierung, die nach dem Abschalten des äußeren Feldes im Werkstoff verbleibt.
- Koerzitivfeldstärke: Feldstärke, die erforderlich ist, um die verbleibende Magnetisierung auf null zu bringen.
- Hystereseverlust: Energie, die während eines Ummagnetisierungszyklus in Wärme umgewandelt wird.
Die Form der Hysteresekurve hängt stark vom Werkstoff und seiner Verwendung ab. Hartmagnetische Werkstoffe besitzen eine hohe Koerzitivfeldstärke und eignen sich für Permanentmagnete. Weichmagnetische Werkstoffe lassen sich dagegen leicht ummagnetisieren und weisen geringe Hystereseverluste auf.
Physikalische Mechanismen
Die Ummagnetisierung kann im Wesentlichen durch zwei Vorgänge erfolgen:
In realen Werkstoffen wird die Bewegung der Domänenwände durch Kristallfehler, Spannungen, Verunreinigungen und andere strukturelle Unregelmäßigkeiten beeinflusst. Diese sogenannten Pinning-Effekte können die Ummagnetisierung erschweren und die Koerzitivfeldstärke erhöhen.
Arten der Ummagnetisierung
Je nach Ursache und zeitlichem Verlauf werden verschiedene Formen unterschieden:
- Statische Ummagnetisierung: Änderung durch ein langsam veränderliches oder umgekehrtes äußeres Magnetfeld.
- Dynamische Ummagnetisierung: Änderung bei hohen Frequenzen, beispielsweise in Transformatoren oder Elektromotoren.
- Thermische Ummagnetisierung: Änderung infolge einer Temperaturerhöhung oder des Überschreitens der Curie-Temperatur. Oberhalb dieser Temperatur verliert ein ferromagnetischer Werkstoff seine ferromagnetische Ordnung.
- Mechanisch unterstützte Ummagnetisierung: Änderung durch mechanische Spannungen, Verformung oder Vibrationen, insbesondere bei magnetostriktiven Werkstoffen.
- Impuls- oder feldunterstützte Ummagnetisierung: Sehr schnelle Änderung durch kurze, starke Magnetfeldimpulse oder elektrische Strompulse.
Ummagnetisierungsverluste
Bei wiederholter Ummagnetisierung entstehen Verluste. Dazu zählen insbesondere:
- Hystereseverluste durch die irreversible Bewegung von Domänenwänden,
- Wirbelstromverluste durch induzierte elektrische Ströme im leitfähigen Werkstoff,
- Zusatzverluste durch komplexe mikromagnetische Vorgänge und Inhomogenitäten.
Die Verluste führen zu einer Erwärmung des Bauteils. Sie sind daher bei der Auslegung von Transformatoren, Drosseln, Elektromotoren und Generatoren von großer Bedeutung. Durch geeignete Werkstoffe, dünne Blechlamellen, Pulververbundwerkstoffe oder spezielle Fertigungsverfahren lassen sich die Verluste reduzieren.
Abgrenzung zur Entmagnetisierung
Eine Ummagnetisierung bedeutet allgemein eine Änderung des magnetischen Zustands und kann auch die Umkehr der Magnetisierungsrichtung einschließen. Entmagnetisierung bezeichnet dagegen spezifischer die Verringerung der resultierenden Magnetisierung eines Werkstoffs. Eine Entmagnetisierung kann beispielsweise durch ein abklingendes Wechselfeld, Erwärmung oder ein entgegengesetztes Magnetfeld erreicht werden.