Remanenz

Was genau ist die magnetische Remanenz? – Begriffserklärung

Der Begriff magnetische Remanenz – oder Remanenz Flussdichte – 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 besonders stark. Das Magnetfeld des Materials ist dem äußeren entgegengerichtet.

Remanente ferromagnetische Materialien

Die drei Elemente, welche bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften aufweisen sind:

  • Nickel
  • Kobalt
  • Eisen

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 Remanenz Effekt (im Gegensatz zu beispielsweise Paramagneten).

Remanenz im Alltag

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, oder dient als Grundlage eines selbstgebauten Kompasses.

DIY-Magnetkompass durch Remanenz

Dafür benötigt werden folgende Materialien:
  • Eine magnetisierte Stecknadel
  • Ein Stück Styropor
  • Eine Schüssel mit Wasser

Nun legt man die magnetisierte Stecknadel einfach auf das 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 Grundlagen 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

Rotation als Schlüssel der magnetischen Remanenz: Der Elektrospin

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.

Vom Chaos zur magnetischen Ordnung

  • Natürlicher Zustand: Ohne äußeres Magnetfeld sind die Elektronenspins ungeordnet.
  • Unter Magnetfeldeinfluss: Die Elementarmagnete richten sich parallel aus.
  • Remanenz Effekt: Die Ausrichtung bleibt auch nach Entfernen des Magnetfelds bestehen, wenn die Temperatur nicht zu groß ist.

Rolle der Austauschwechselwirkung

Austauschwechselwirkung – vorstellbar als möglichst niedriges Energieniveau zwischen den jeweiligen Elektronenspins. Dadurch behält das Material seine magnetischen Eigenschaften auch nach entfernen des Magnets bei.

  • Die parallele Ausrichtung der Spins bleibt erhalten
  • Ein permanenter magnetischer Nord- und Südpol entsteht

Wie lässt sich die Remanenz wieder rückgängig machen?

Wenn der Magnet folgenden Gegebenheiten ausgesetzt ist, besteht die Möglichkeit, dass die Remanenz verschwindet:

  • Mechanische Einwirkung: Durch Starke Erschütterungen
  • Thermische Belastung: Durch große Hitze
  • Magnetische Gegenkraft: Durch entgegengesetzte Magnetfelder

Curie-Temperatur als kritischer Punkt

Für eine vollständige Entmagnetisierung durch Wärme , muss die materialspezifische Curie-Temperatur 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.

Energetische Grundlagen der Entmagnetisierung

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.

Magnetgüte und ihre Bestimmung

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
  • größer die resultierende Remanenz

Hysterese und Magnetisierung

Die Hysterese-Kurve der zeigt, dass zwischen der Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials und der Änderung des äußeren Magnetfeldes keine strenge Proportionalität vorliegt. Das erklärt, warum die Remanenz auch nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes bestehen bleibt.