Hysterese

Hysterese ist der Effekt, dass die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials nicht exakt proportional zum äußeren Magnetfeld verläuft und von der magnetischen Vorbehandlung des Materials abhängt. Dies bedeutet, dass die Magnetisierung eines z. B. eisenhaltigen Gegenstandes nicht doppelt so groß wird, wenn man das äußere Magnetfeld verdoppelt. Insbesondere bleiben ferromagnetische Materialien ein wenig magnetisiert, wenn das äußere Magnetfeld ganz abgeschaltet wird. Diese verbleibende Magnetisierung wird als Remanenz bezeichnet.

Die Magnetisierung eines Ferromagneten steigt zunächst mit dem äußeren Magnetfeld an. Wird das äußere Magnetfeld reduziert, so geht auch die Magnetisierung wieder zurück. Dieser Prozess läuft jedoch langsamer ab als der vorherige Anstieg der Magnetisierung, sodass sogar noch Magnetisierung (Remanenz) verbleibt, wenn das Magnetfeld ganz ausgeschaltet wird. Dieser nicht proportionale Zusammenhang ist ein gewisses "Hinterherhinken" der magnetischen Flussdichte hinter der magnetisierenden Feldstärke. Die Bezeichnung Hysterese kommt vom griechischen ηψστερoσ (hysteros = hinterher).

Hysteresekurve für ferromagnetische Materialien

Eine mathematische Kurve, welche die jeweilige Magnetisierung als magnetische Flussdichte B bei einem bestimmten äußeren Magnetfeld H angibt, wird als Hysteresekurve bezeichnet (siehe Abbildung).

Hystereseschleife = Hysteresekurve

In der wissenschaftlichen Literatur bezeichnen die Begriffe "Hysteresekurve" und "Hystereseschleife" dasselbe Phänomen, wie es in allen ferromagnetischen Materialien sowie in anderen physikalischen Systemen beobachtet wird. Man versteht darunter allgemein die Verzögerung der Magnetisierung eines Materials in Bezug auf das anliegende Magnetfeld.

Diese Verzögerung ist jedoch nicht zeitlich, sondern hinsichtlich der erreichten Stärke gemeint. Wenn das Magnetfeld variiert wird, bleibt die Magnetisierung etwas hinter dem rechnerisch erreichbaren Wert zurück, was in einem Diagramm als Schleife dargestellt wird (Abbildung). Diese Hystereseschleife ist ein wichtiges Konzept in der Materialwissenschaft, da sie Einblicke in die magnetischen Eigenschaften und die Energieverluste des Materials gibt.

Die Hysteresekurve ist unterschiedlich für verschiedene Materialien und tritt nur bei ferromagnetischen Materialien auf. Ein magnetisch weiches Material wird durch die in der Abbildung links gezeigte Hysteresekurve charakterisiert, ein magnetisch hartes Material durch die rechte Hysteresekurve.

Die Fläche, die von der Hysteresekurve eingeschlossen wird, hat die Dimension einer Energie (Das Energieprodukt beispielsweise ist das Produkt aus Magnetfeld H und magnetischer Flussdichte B, wie die Fläche eines Rechtecks das Produkt aus Breite und Länge ist). Die Fläche, welche von der Hysteresekurve eingeschlossen wird, ist gerade die Energie pro Volumeneinheit des Magneten, welche bei einem Durchlauf der Magnetisierung von der positiven Sättigungsflussdichte B_S bis zur negativen Sättigungsdflussdichte –B_S und dem anschließenden Rückweg von –B_S zu B_S aufgewendet werden muss. Diese Energie wird bei dem Magnetisierungsvorgang als Wärme frei. Bei magnetisch harten Materialien ist diese Energie größer als bei magnetisch weichen Materialien. Die harten Materialien sind entsprechend widerstandsfähiger gegen kleine Störungen der Magnetisierung durch äußere Magnetfelder, Wärme oder Stöße und eignen sich gut als Magnetstoffe für Permanentmagnete. Weichmagnetische Substanzen werden für Transformatoren verwendet, da die Ummagnetisierung nur wenig Energie verbraucht.

Die Neukurve

Die rote Kurve bezeichnet im linken Beispiel, exemplarisch dargestellt, den Verlauf der magnetischen Flussdichte in einem Material, welches noch nicht magnetisiert ist. Sie wird auch als Neukurve oder "jungfräuliche" Kurve bezeichnet.

Hier ist die magnetische Flussdichte und damit auch die Magnetisierung M des Materials näherungsweise linear zum äußeren Magnetfeld H. Die Formel lautet: M=(μ-1)•H. Dabei bezeichnet μ die magnetische Permeabilität.

Was passiert mit dem Magnetfeld im Inneren des Materials?

Das Magnetfeld im Inneren des Materials ist die Summe aus dem äußeren Magnetfeld H und der Magnetisierung des Materials M.

Ist der Körper bereits magnetisiert, so bewirkt ein Magnetfeld H, welches der Magnetisierung des Körpers entgegengerichtet ist, zunächst eine Abschwächung der bestehenden Magnetisierung. Erst ab der sogenannten Koerzitivfeldstärke H_c tritt Magnetisierung parallel zum äußeren Magnetfeld auf, also eine Ummagnetisierung. Die neue Magnetisierung steigt nichtlinear bis zur Sättigungsfeldstärke B_S. Reduziert man dann das äußere Magnetfeld wieder, so fällt die magnetische Flussdichte im Material langsamer ab als sie vorher angestiegen ist. Es verbleibt schließlich sogar die Remanenz B_R.

Physikalischer Hintergrund der Hysterese

Der physikalische Hintergrund für Hysterese liegt in der Existenz der Elektronenspins als elementare magnetische Momente der ferromagnetischen Stoffe begründet. Die starke Magnetisierung dieser Stoffe in äußeren Magnetfeldern kommt dadurch zustande, dass sich die magnetischen Momente in einem äußeren Magnetfeld ausrichten und dabei durch die Austauschwechselwirkung stabilisiert werden. Die ausgerichteten magnetischen Momente machen das ferromagnetische Material selbst zu einem Magneten.

Bei der Sättigungsfeldstärke und dem zugehörigen gesättigten magnetischen Fluss B_S sind alle magnetischen Momente parallel ausgerichtet. Dieser Zustand wird als magnetische Sättigung bezeichnet.

Nach der Ausrichtung stehen die magnetischen Momente der Elektronenspins in gegenseitiger Austauschwechselwirkung. Die Energie dieser Wechselwirkung muss aufgewendet werden, um die Magnetisierung eines Materials wieder aufzuheben, also die Ausrichtung der stabilisierten Elektronenspins wieder zu zerstören. Das bedeutet, die Magnetisierung geht langsamer zurück als sie entstanden ist, weil sich die magnetischen Momente der Probe gegenseitig stabilisieren. Es kostet Energie, diese Stabilisierung wieder aufzuheben. Wenn die Austauschwechselwirkung groß ist, so schließt die Hysteresekurve eine große Fläche ein und man spricht von magnetisch harten Materialien.