• Magnetische Polarisation
• Magnetische Spannung

Magnetische Sättigung

Die Magnetisierung eines Materials, die maximal möglich ist, wird Sättigungsmagnetisierung genannt. Der Hintergrund ist eine zunächst proportional zur Magnetfeldstärke anwachsende magnetische Kraft im Falle einer Magnetisierung eines ferromagnetischen Körpers. Diese Magnetisierung steigt ab einem bestimmten Zeitpunkt jedoch immer langsamer, bis sie schließlich einen Endpunkt erreicht, die so genannte magnetische Sättigung. Sie ist der Grund dafür, dass Permanentmagneten eine begrenzte Magnetfeldstärke haben – deshalb existieren keine Magnete, die beliebig stark sind.

Physikalische Erklärung der Magnetisierung und der Magnetfeldsättigung

Der Versuch, die Magnetisierung nach Erreichen der magnetischen Sättigung zu erhöhen, resultiert in folgendem Verhalten: Das Material verhält sich wie wenn das äußere Magnetfeld im Vakuum erhöht wird. Die Magnetisierung lässt sich in diesem Rahmen besonders bei ferromagnetischen Materialien beobachten: Die magnetische Flussdichte steigt sehr stark, sobald in ein äußeres Magnetfeld ferromagnetisches Materie eingebracht wird. Die physikalische Erklärung dafür sind die Elektronenspins. Diese richten sich in dem Ferromagneten nach dem von außen einwirkenden Magnetfeld aus. Mit steigender Magnetisierung richten sich immer mehr dieser so genannten magnetischen Momente (Effekt der Elektronenspins) parallel nach dem Magnetfeld aus. Man nennt diesen Prozess auch magnetische Polarisation. Bedingt durch die Ausrichtung selbst wird das äußere Feld verstärkt. Es kommt in diesem Zuge zu einer starken Erhöhung der magnetischen Flussdichte sowie des Magnetfeldes in der Umgebung des Ferromagneten. Logischerweise erfolgt dieser Vorgang nur so lange, bis alle vorhandenen magnetischen Momente ausgerichtet sind.

Sobald das geschehen ist, ist die magnetische Sättigung erreicht. Von nun an kann das äußere Magnetfeld des Ferromagneten nicht weiter verstärkt werden, selbst wenn es von außen noch weiter erhöht wird. Die Flussdichte dieses Feldes verhält sich von nun an wie wenn das Magnetfeld im Vakuum verstärkt wird. Es findet also keine Verstärkung mehr durch den Ferromagneten statt – schließlich können nicht mehr Elektronenspin ausgerichtet werden.

Experiment zeigt magnetische Sättigung

Zur Durchführung dieses Experiments benötigt man eine Spule mit einem Eisenkern sowie ein Messgerät für die magnetische Flussdichte (beispielsweise eine Hall-Sonde) und eine regulierbare Spannungsquelle. Im Experiment misst man stets die magnetische Flussdichte direkt an dem Eisenkern bei sich verändernden Strömen. Es stellt sich heraus, dass die magnetische Flussdichte mit einer Erhöhung des elektrischen Stroms durch die Eisenspule zunächst sehr deutlich ansteigt. Wird der Strom, bzw. die Stromstärke, verdoppelt, so verdoppelt sich ungefähr auch die magnetische Flussdichte. Es kommt jedoch ab einem gewissen Punkt zu einem langsameren Anstieg. Schließlich ist die magnetische Sättigung des Eisenkerns erreicht (für Eisen bei einer Flussdichte von maximal 2 Tesla). Die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Materials sinkt während dem Sättigungseffekt, bis sie sich dem Wert 1 annähert. Das bedeutet, dass die magnetische Leitfähigkeit des ferromagnetischen Materials gleich der des Vakuums ist – womit die vorigen Aussagen, das Magnetfeld des Ferromagneten verhalte sich nach der Sättigung wie ein Magnetfeld im Vakuum, bestärkt werden.

Remanenz und magnetische Sättigung

Wie bereits erklärt, ist die maximale Sättigung dann erreicht, wenn alle atomaren Spins nach dem Magnetfeld ausgerichtet sind. Die Magnetisierung des Materials kann von nun an nicht weiter ansteigen, weshalb, nach dem Abschalten des äußeren Magnetfeldes, dies der Zustand der höchstmöglichen verbleibenden Magnetisierung ist. Eine verbleibende Magnetisierung bezeichnet man grundsätzlich als Remanenz.

Bedeutung in der Technik

Die magnetische Sättigung führt zu vielen Nachteilen bei technischen Anwendungen. Ein Beispiel sind Transformatoren. Diese wandeln Spannung auf Basis eines wechselnden Magnetfeldes durch zwei Spulen, die denselben Eisenkern besitzen. So lange der Strom im Primärkreis des Transformators sehr niedrig ist, arbeitet der Trafo mit einer hohen Effizienz, weil sich die Magnetisierung mit dem Strom im Proportionalitätsbereich befindet. Wird der Strom jedoch zu hoch, sinkt die Effizienz, da der Bereich der Sättigungsmagnetisierung erreicht wird. Der Wirkungsgrad des Transformators sinkt damit ebenfalls. Man kann diesem Effekt entgegenwirken, indem ein Luftspalt in den Eisenkern geschnitten wird. Die magnetische Sättigung tritt sodann später ein, weil die magnetische Flussdichte langsamer zunimmt - schließlich ist der magnetische Widerstand des Luftspalts viel höher als der des Eisenkerns. Das wiederum erhöht den Wirkungsgrad. In den meisten Transformatoren kann auf einen solchen Luftspalt jedoch verzichtet werden. Ein Gegenbeispiel wären so genannte Hochstromtransformatoren. Diese kennt man vielleicht noch aus dem Physikunterricht: Der Lehrer versucht damit in der Regel, einen Nagel oder einen anderen stabähnlichen Gegenstand aus Metall durch eine große Stromstärke zum Glühen zu bringen.