Informations- und Kommunikationstechnik

Magnetisierungskurve und Hystereseschleife

Eine Spule ohne Kernmaterial wird Luftspule genannt. Ihre Feldliniendichte B ist direkt proportional zur Feldstärke H. Luft ist ein schlechter magnetischer Leiter, folglich sind die Feldliniendichte und das gesamte Magnetfeld kernloser Spulen relativ klein. Die Magnetisierungskurve, auch magnetische Zustandskurve genannt, stellt grafisch die Abhängigkeit der Feldliniendichte von der magnetischen Feldstärke dar. Der Kurvenverlauf ist vom Werkstoff und seiner relativen Permeabilität μr abhängig. Der Wert ist nicht konstant und variiert mit der magnetischen Feldstärke.

Magnetisierungsdiagramme

Befindet sich in der Spule ein magnetisierbarer Kern, so konzentriert sich der Verlauf der Feldlinien im Kernwerkstoff. Als Folge nimmt bei konstantem Strom die magnetische Kraft der stromdurchflossenen Spule zu. Das Magnetfeld der Spule verschiebt die im Kernwerkstoff vorhandenen Bloch-Wände der Weiss-Bezirke nach außen. Mit zunehmender Feldstärke werden alle Bloch-Wände solange an den Kernrand verschoben, bis er aus einem einzigen Weiss-Bezirk besteht.

Bei weiterer Magnetisierung werden die Elektronenspins der Molekularmagnete zur Magnetisierungsrichtung des Spulenmagnetfelds ausgerichtet. Mit zunehmender Feldstärke drehen sich die Molekularmagnete in die Magnetfeldrichtung der Spule. Sind alle Molekularmagnete ausgerichtet und wird die Feldstärke weiter erhöht, so nimmt die Flussdichte nur noch unwesentlich an. Der Kern hat seine magnetische Sättigung erreicht.

Ein ferromagnetischer Kern (Eisenkern) erhöht die Flussdichte einer Magnetspule.
Die Permeabilität ferromagnetischer Werkstoffe ist vom Material abhängig.
In Bezug zur magnetischen Feldstärke besteht fast immer ein nicht linearer Zusammenhang.
Die Permeabilität ist abhängig von der magnetischen Vorbehandlung des Materials.

Beim Versuchsbeginn soll der Kernwerkstoff magnetisch neutral sein. Die oben dargestellte Magnetisierungskurve wird bei der erstmaligen Magnetisierung eines ferromagnetischen Werkstoffs durchlaufen. Die im folgenden Bild blaue Kurve wird als Neukurve bezeichnet, die bei hoher Feldstärke in den Sättigungswert für den Werkstoff geht.

Hysteresekurve

Wird vom Sättigungspunkt ausgehend die magnetische Feldstärke verringert, so erfolgt der Rücklauf nicht entlang der Neukurve. Die Flussdichte verringert sich langsamer und die neue Kurve verläuft oberhalb der Kurve der Erstmagnetisierung. Bei der Feldstärke H = 0 wird die B-Achse im Wert Br geschnitten. Im Kernwerkstoff verbleibt ein Restmagnetismus, Remanenz genannt.

Der Restmagnetismus kann durch eine entgegen gerichtete Feldstärke beseitigt werden. Dazu muss der Erregerstrom der Spule umgepolt werden. Die Feldstärke Hc, bei der die Flussdichte den Wert B = 0 angenommen hat, wird Koerzitivfeldstärke genannt.

Bei der weiteren Erhöhung der Feldstärke in diese Gegenrichtung gelangt der Kernwerkstoff in die magnetische Sättigung mit umgekehrter Polarität. Beim Rückgang der negativen Feldstärke bis H = 0 durchläuft die Kurve den unteren Zweig bis zur negativen Remanenz, die erst wieder bei positiver Koerzitivfeldstärke den Wert null erreicht.

Die Zustände B = 0 und H = 0 vor der Erstmagnetisierung und B = 0 mit H = ± Hc sind nicht identisch. Im ersten Fall wird vermutet, dass eine statistische Orientierung aller Weiss-Bezirke vorliegt. Nach außen tritt daher kein messbares Magnetfeld auf. Nach der Erstmagnetisierung und nachfolgender Entmagnetisierung wird für die Koerzitivfeldstärke angenommen, dass sich mit einer Umorientierung einiger Weiss-Bezirke die Remanenz aufhebt. Die Neukurve eines einmal magnetisierten Werkstoffs wird nicht mehr durchlaufen.

Aus der magnetischen Zustandskurve kann für jede benötigte Flussdichte die erforderliche Feldstärke abgelesen werden. Die zugehörige Durchflutung errechnet sich durch Multiplikation mit der mittleren Feldlinienlänge. Der magnetische Fluss ist das Produkt aus Flussdichte und der Querschnittsfläche des Kerns.

Die Remanenz ist die bei stromloser Spule im Eisenkern bleibende magnetische Flussdichte.
Die Koerzitivfeldstärke ist die Feldstärke, die zur Aufhebung der Remanenz erforderlich ist.

Der dargestellte Kurvenverlauf wird Hystereseschleife genannt (Hysterese im Sinn von Verzögerung). Liegt die Erregerspule an einer sinusförmigen Wechselspannung, dann wird die Hysteresekurve periodisch je einmal durchlaufen. Die Molekularmagnete werden periodisch umorientiert und die Bloch-Wände erfahren eine ständige Verschiebung. Diese Vorgänge benötigen Energie, die als elektrische Leistung zugeführt werden muss. Die Leistung zur Ummagnetisierung erwärmt den Kernwerkstoff und wird als Hystereseverlust bezeichnet. Je größer die Dichte des Kernwerkstoffs und je höher die Frequenz des Erregerstroms ist, desto mehr Hystereseverluste treten auf.

Entmagnetisierung durch Wechselfeld

Die Entmagnetisierung kann durch einen stetig abnehmenden Wechselstrom höherer Frequenz erfolgen. Dabei wird die Hystereseschleife bis zum Nullpunkt spiralartig mit immer kleineren H- und B-Werten durchlaufen. Oberhalb der Curie-Temperatur verliert der Werkstoff schlagartig alle seine magnetischen Eigenschaften, wovon in Thermoschaltern Gebrauch gemacht wird. Die Curie-Temperatur für Eisen beträgt 770 °C, für Nickel 360 °C und für Kobalt 1115 °C. Es gibt spezielle Legierungen mit wesentlich tiefer liegenden Curie-Temperaturen.

Transformatorspulen

Transformatoren sollen elektrische Energie möglichst verlustfrei übertragen. Ihr Prinzip beruht auf der Energiewandlung: elektrische- in magnetische- in elektrische Energie. Die Transformatorenkerne haben daher keinen Luftspalt. Der Magnetkreis bleibt niederohmig und die Kernverluste sind gering.

Drosselspulen

Magnetspulen auf Kernen mit Luftspalt werden Drosselspulen genannt. Sie setzen einem Wechselstrom einen hohen magnetischen Widerstand entgegen, während Gleichstrom fast ungehindert die Spule durchfließt. Drosselspulen werden in getakteten Netzteilen als Energiespeicher eingesetzt. In Netzteilen großer Leistung unterdrücken sie mit ihrem hohen magnetischen Widerstand nach der Gleichrichtung die Frequenzen der sogenannten Brummspannung und dienen der Glättung zur Gleichspannung. Sie werden auch zur Strombegrenzung in Schaltungen mit Gasentladungsröhren, beispielsweise den Leuchtstofflampen eingesetzt.

Ferromagnetische Werkstoffe

Weichmagnetische Werkstoffe

Weichmagnetische Werkstoffe zeichnen sich durch hohe relative Permeabilitätswerte und einer sehr guten magnetischen Leitfähigkeit aus. Sie haben kleine Ummagnetisierungsverluste und Koerzitivfeldstärken und eine schmal verlaufende Hystereseschleife. Weichmagnetische Werkstoffe werden vielseitig in der Elektrotechnik eingesetzt, z. B. im Elektromaschinenbau als Kernmaterial der Feld- und Ankerwicklungen. Die meisten Magnetkerne von Spulen, Drosseln und Transformatoren sind aus weichmagnetischen Werkstoffen.

Hartmagnetische Werkstoffe

Diese Werkstoffe haben fast immer kleine Permeabilitätswerte, aber wesentlich höhere Remanenzwerte und Koerzitivfeldstärken. Die Hystereseschleife umschließt eine große Fläche und zur Ummagnetisierung ist viel Energie notwendig. Dauermagnete in Messinstrumenten, Lautsprechern und früher verwendete Magnetspeicherringe bestehen aus hartmagnetischen Werkstoffen. Die Güte eines Dauermagneten wird durch das Produkt aus Remanenz und Koerzitivfeldstärke bestimmt.

Permalloy Werkstoffe — Mu-Metall

Es sind weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierungen mit Kupfer, Chrom und Molybdän Anteilen, aus denen Bleche und Drähte gefertigt werden. Magnetkerne werden auch aus Metallpulver hergestellt, das mit elektrisch isolierenden Bindemitteln in die endgültige Form gepresst und einem abschließenden Glühprozess unterzogen wird. Die Permeabilitätswerte liegen zwischen 25 ... 350, die maximale magnetische Flussdichte bei der magnetischen Sättigung wird bei B = 0,8 Tesla erreicht.

Pulverkerne

Ferromagnetische Metallpulver werden mit elektrisch nicht leitenden Bindemitteln in einer Pressform gesintert. Die gegenseitige Isolierung der Metallkörner vermindert das Entstehen großer Wirbelstromverluste. Im Vergleich zum Kern aus lamellierten Blechen bildet das Isolationsmaterial im Metallpulverkern vielfach verteilte Luftspalte und verringert die magnetische Leitfähigkeit. Die Hersteller geben einen Permeabilitätsfaktor für den linearen Arbeitsbereich des Kernmaterials an. Pulverkerne erreichen nur langsam die magnetische Sättigung. Sie eignen sich besonders gut in Speicherdrosseln von Schaltnetzteilen, wo Schaltspannungen höherer Frequenzen mit Gleichspannungen überlagert sind.

Eisenpulverkerne

Sie bestehen aus feinst gemahlenem Reineisen. Es wird mit einem Pulver aus Isolations- und Bindematerial vermischt, in Form gebracht und unter hohem Druck ausgehärtet. Permeabilitätswerte liegt zwischen μ = 10 ... 125. Kerne hoher μ-Werte eignen sich für Frequenzen bis 75 kHz. Niedrige Permeabilitätswerte werden bevorzugt im hohen Frequenzbereich bis zu einigen 100 MHz eingesetzt.

Metallpulverkerne

Es sind ferromagnetischen Legierungen aus Eisen, Nickel und Molybdän, die als Metallpulver mit elektrisch isolierenden Bindemitteln gemischt im thermischen Pressverfahren zur endgültigen Form aushärten. Die Sättigungswerte der magnetischen Flussdichte liegen zwischen 0,8 ... 1,6 T. Die Permeabilität ist zwischen 15 ... 550 nicht allzu hoch. Die Pulverkerne eignen sich für Frequenzen bis zu 0,5 ... 2 MHz.

Ferrimagnetische Werkstoffe – Ferrite

Bei höheren Betriebsfrequenzen reicht ein Lamellieren der Magnetkerne nicht mehr aus. Die Ummagnetisierungsverluste nehmen proportional mit der Frequenz zu und mit den ebenfalls zunehmenden Wirbelstromverlusten erwärmt sich der Magnetkern zu sehr. Abhilfe schafft eine weitere Verkleinerung der magnetisierbaren Bereiche in den Kernmaterialien, die gleichzeitig gegeneinander elektrische isoliert sein müssen.

Ferrite zeichnen sich durch eine sehr geringe elektrische aber sehr gute magnetische Leitfähigkeit aus. Es sind keramische Sinterwerkstoffe aus meist dreiwertigem Eisenoxid Fe2O3 mit Zusätzen von zweiwertigen Metalloxiden wie NiO, MnO, CoO und ZnO. Die Ausgangskomponenten werden gesintert, fein gemahlen, bis die Korngrößen im Bereich der Weiss-Bezirke liegen. Die Pulver werden in die endgültige Form gepresst und unter Schutzgas erneut gesintert. Mit ihren sehr hohen spezifischen Widerstandswerten verhalten sie sich wie elektrische Isolatoren. Die Wirbelstromverluste bleiben daher auch bei hohen Frequenzen sehr gering. Sie besitzen im Vergleich zu ferromagnetischen Werkstoffen kleinere relative Permeabilitätswerte.

Weichmagnetische Ferrite weisen eine schmale Hystereseschleife auf. Ihre Sättigungsinduktion liegt bei 0,35 T. Die Verluste bei der Ummagnetisierung und die Koerzitivfeldstärke sind klein. Verwendet werden sie in Kernen von Drosselspulen, Übertragerspulen, in Schwingkreisen, Filtern, Impulstransformatoren und elektromagnetischen Wandlern. Die Tonköpfe von Magnetaufzeichnungsgeräten bestehen aus Ferrit. Sie lassen sich leicht ummagnetisieren und haben fast keinen Restmagnetismus.

Vormagnetisierte Ferrite, sog. Ferritdauermagnete werden in Kleinstmotoren und in der Relaistechnik eingebaut. Ferrite mit hohen Koerzitivfeldstärken, etwas kleineren Remanenzwerten und Sättigungsinduktionen bis 0,2 T wurden in der Speichertechnik verwendet.