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Remanenz

Was genau ist die magnetische Remanenz? – Begriffserklärung

Der Begriff magnetische Remanenz – oder Remanenzflussdichte – bezeichnet die Magnetisierung eines ferromagnetischen Stoffes nach dem Abschalten des äußeren Magnetfeldes. Man versteht darunter also einen gewissen Restmagnetismus bzw. die Restmagnetisierung eines Materials. Die magnetische Flussdichte gibt die Stärke der magnetischen Remanenz an. Sie wird in der Einheit Gauß oder Tesla gemessen, wobei die folgende Zuordnung gilt:

10.000 Gauß = 1 Tesla

Ein ferromagnetisches Material mit hoher Remanenz ist beispielsweise Eisen. Es kann magnetisiert werden, wenn es über einen gewissen Zeitraum hinweg einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Die Remanenz gibt anschließend Auskunft über die Stärke dieser Magnetisierung. Über eine sogenannte Hysterese-Kurve lässt sich wiederum die maximale Remanenz bestimmen: Diese ist bei jedem Material unterschiedlich. In ferromagnetischen Stoffen ist die Remanenz übrigens besonders stark. Das Magnetfeld des Materials ist dem äußeren entgegengerichtet.

Remanente ferromagnetische Materialien

Nickel, Kobalt und Eisen sind die drei Elemente, welche bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften aufweisen. Neben diesen Elementen existieren außerdem noch mehrere Legierungen und Verbindungen mit ferromagnetischen Eigenschaften. Manche Elemente werden erst bei sehr tiefen Temperaturen ferromagnetisch – beispielsweise die sogenannten Supraleiter. Stoffe mit ferromagnetischen Eigenschaften zeigen nach dem Abschalten des äußeren Magnetfelds bzw. der Magnetisierung einen sehr starken Remanenzeffekt (im Gegensatz zu beispielsweise Paramagneten).

Im alltäglichen Leben kann man Remanenz ebenfalls beobachten: Setzt man beispielsweise eine Schere oder eine Stecknadel einem starken Magnetfeld aus, so werden die Objekte anschließend von eisenhaltigen Gegenständen angezogen. Eine remanente Magnetisierungsstecknadel bleibt so beispielsweise am Heizkörper hängen. Mit ihr lässt sich auf diese Weise sogar ein Kompass bauen: Hierfür legt man die magnetisierte Stecknadel einfach auf ein Stück Styropor und lässt sie danach im Wasser schwimmen. Sie richtet sich nun automatisch – insofern es keine anderen beeinflussenden Magnetfelder gibt – nach dem Erdmagnetfeld aus und fungiert auf diese Weise als Kompass.

Physikalische Erklärung zur Remanenz

Man weiß, dass ein Stoff aus mehreren Atomen besteht. Bei Metallen fügen sich diese zu einem Gitter zusammen. Jedes Atom besitzt wiederum:

  • Atomkerne aus Protonen
  • Ggf. Neutronen
  • Eine Hülle aus Elektronen

Elektronen haben einen sogenannten Elektronenspin. Dieser ist für die magnetischen Eigenschaften verantwortlich. Die Remanenz hat also direkt etwas mit diesem Spin zu tun.

Im Physikunterricht wird die Magnetisierung mit kleinen Pfeilen im ferromagnetischen Material dargestellt. Diese richten sich aus und bilden so ein Magnetfeld. Die kleinen Pfeile stellen somit die Elementarmagneten dar. Im Grunde handelt es sich dabei um nichts anderes als die Elektronenspins. Ohne ein äußeres Magnetfeld unterliegen sie keiner Ordnung und bewegen sich ständig. Wie bei jedem Körper nimmt die Bewegung der Atome bei höheren Temperaturen zu. Normalerweise ist ein ferromagnetischer Stoff deshalb von Natur aus nicht magnetisch – schließlich zeigen die Pole der vielen Elektronenspins bzw. Elementarmagnete in alle möglichen Richtungen, die sich zudem ständig ändern.

In dieses Chaos wird mit einem Magnetfeld Ordnung gebracht: Die Elementarmagnete bzw. Elektronenspins richten sich nach dem äußeren Magnetfeld parallel aus. Auf diese Weise entsteht ein Nord- und einen Südpol. Wenn die Temperatur nicht zu groß ist, bleibt diese parallele Ausrichtung bei ferromagnetischen Materialien auch dann beständig, wenn das äußere Magnetfeld wieder entfernt wird. Der Grund dafür ist die sogenannte Austauschwechselwirkung – vorstellbar als möglichst niedriges Energieniveau zwischen den jeweiligen Elektronenspins. Der Körper bleibt durch die stabilisierte Ausrichtung jedes Elementarmagneten nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes durch diese Remanenzwirkung magnetisch. Eben diese Magnetisierung heißt Remanenz. Bleibt bei einem Stoff nach dem Entfernen des Magnetfeldes eine stärkere Magnetisierung zurück als bei dem anderen, spricht man von einem magnetisch harten Material (bzw. von einem magnetisch weichen Material bei Letzterem).

Kann man die Remanenz auch wieder rückgängig machen?

Die Remanenz lässt sich auch wieder rückgängig machen. Wenn der Magnet folgenden Gegebenheiten ausgesetzt ist, besteht die Möglichkeit, dass die Remanenz verschwindet:

  • Starke Erschütterungen
  • Große Hitze
  • Entgegengesetzte Magnetfelder

Damit es zu einer vollständigen Entmagnetisierung kommt, ist entweder ein sogenanntes Koerzitivfeld notwendig oder die Curie-Temperatur muss erreicht werden:

  • Nickel: 358 °C
  • Eisen: 768 °C
  • Kobalt: 1127 °C

Bei Erschütterungen gibt es allerdings keine genaue Schwelle für das vollständige Verschwinden der Remanenz.

Grundsätzlich muss Magneten also Energie zugeführt werden, um sie zu Entmagnetisieren. Warum ist das so? Nun, man kann sich vorstellen, dass dank der Ausrichtung der einzelnen Elektronenspins eine gewisse Energie in einem Magneten gespeichert ist. Diese kann durch die magnetische Energiedichte angegeben werden. Der Betrag des Energieprodukts sowie die maximale Einsatztemperatur sind die bestimmenden Größen für die Güte des Magneten. Diese wird durch das Energieprodukt und eine darauffolgende Buchstabenkombination für die Güte – beispielsweise „N“ für 80 °C – angegeben. Je höher die Güte, desto größer ist die magnetische Kraft und desto größer wiederum die Remanenz.

Die vorhin erwähnte Hysterese ist ein Graph, der zeigt, dass zwischen der Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials und der Änderung des äußeren Magnetfeldes keine strenge Proportionalität vorliegt – der Grund dafür, warum Remanenz nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes verbleibt.