Elektrotechnik Grundlagen

Hysterese

Die Hysterese beschreibt ein Verhalten magnetischer Materialen, bei welchem es zur sogenannten Remanenz kommt. In diesem Beitrag erklären wir dir ausführlich, den Verlauf der Hysteresekurve eines Ferromagneten und was die Begriffe Remanenz und Koerzitivfeldstärke in diesem Zusammenhang bedeuten. Außerdem lernst du den Unterschied zwischen sogenannten Hartmagneten und Weichmagneten kennen.

Du möchtest schnell verstehen, was Hysterese genau bedeutet und wie es zur Hysteresekurve kommt? Dann ist unser Video  genau das Richtige für dich!

Inhaltsübersicht

Hysterese Definition

Man spricht allgemein von Hysterese, wenn die durch eine Ursache hervorgerufene Änderung verzögert Eintritt. Dies bedeutet, dass die Ausgangsgröße eines betrachteten Systems nicht nur von der Eingangsgröße alleine abhängt, sondern auch von dem Anfangszustand des Systems.

Bezogen auf den Bereich des Magnetismus hat die Hysterese folgende Bedeutung.

Merke
Die Magnetisierung eines Ferromagneten hängt nicht nur von dem angelegten Magnetfeld ab, sondern auch von der Verlaufsgeschichte des Materials.
Hysterese, Hystereseschleife, Hysteresekurve
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Allgemeine Hystereseschleife

Hysteresekurve

Im folgenden erklären wir zuerst die Hysterese eines Ferromagneten und gehen danach darauf ein, wann ein Material Hartmagnet oder Weichmagnet genannt wird. Zusätzlich beschreiben wir, wie es möglich ist einen Magneten, der aufgrund von Hysterese sich in einem magnetisierten Zustand befindet, zu entmagnetisieren. Wenn du mehr zum Thema Magnetismus wissen möchtest, insbesondere zum magnetischen Feld und seinen Kenngrößen, dann schau unseren extra Beitrag dazu an!

Hysteresekurve Ferromagnet

Ein typisches Verhalten der Hysterese beobachtet man bei ferromagnetischen Materialien, wie zum Beispiel Eisen oder Nickel. Im folgenden erklären wir die Hystereseschleife eines Ferromagneten.

Neukurve

Man geht zunächst von einem nicht-magnetisierten ferromagnetischen Material aus, welches man in ein kontrollierbares Magnetfeld bringt, das zu Beginn null ist. Ein solches Magnetfeld lässt sich zum Beispiel mit einer Spule realisieren. Zu Beginn ist also die magnetische Flussdichte \vec{B}=0 und die magnetische Feldstärke \vec{H}=0. Erhöht man nun kontinuierlich die magnetische Feldstärke \vec{H} und damit das externe Magnetfeld, erhöht sich dadurch auch verzögert die magnetische Flussdichte \vec{B} im Material bis zur Sättigung \vec{B}_S. Es tritt also Hysterese auf. Aufgrund der Sättigung steigt die Flussdichte \vec{B} bei höherer Feldstärke immer langsamer an. Das Material nennt man dabei gesättigt, wenn alle Spins der Elektronen, welche man als Elementarmagnete auffasst, in Richtung der angelegten Feldstärke \vec{H} zeigen. Dieses Verhalten wird durch die Kurve ausgehend vom Koordinatenmittelpunkt bis zum Punkt \vec{B}_S dargestellt. Man bezeichnet sie auch als Neukurve oder jungfräuliche Kurve.

Hysterese, Neukurve, Hysteresekurve
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Neukurve

Positive Remanenz

Verringert man nun die magnetische Feldstärke \vec{H} wieder bis sie den Wert null beträgt, so nimmt die  magnetische Flussdichte \vec{B} auch wieder ab. Jedoch bleibt eine Restmagnetisierung \vec{B}_R\neq 0 übrig, sodass der Ausgangszustand \vec{B}=0 nicht wieder vollständig erreicht wird. Bei dieser Restmagnetisierung spricht man von Remanenz. Im Schaubild bewegt man sich dabei von Punkt \vec{B}_S nach \vec{B}_R.

Negative Koerzitivfeldstärke

Erhöht man nun die magnetische Feldstärke in die andere Richtung, so erreicht die magnetische Flussdichte im Material bei einer bestimmten magnetischen Feldstärke -\vec{H}_C den Wert \vec{B}=0. Diese magnetische Feldstärke nennt man Koerzitivfeldstärke -\vec{H}_C. Dabei bezeichnet man das Material jedoch als nicht entmagnetisiert, da das Material ohne der äußeren Feldstärke \vec{H} wieder in einen magnetisierten Zustand übergeht. Erhöht man die magnetische Feldstärke weiter in diese Richtung, so erreicht das Material wieder einen gesättigten Zustand mit der magnetische Flussdichte -\vec{B}_S. Im Schaubild macht dies die Kurve vom Punkt \vec{B}_R über -\vec{H}_C nach -\vec{B}_S deutlich.

Negative Remanenz

Verringert man nun die magnetische Feldstärke wieder auf null \vec{H}=0, so bleibt eine Remanenz -\vec{B}_R übrig. Diese zeigt nun in die entgegengesetzte Richtung als vorher.

Positive Koerzitivfeldstärke

Das Anlegen einer Koerzitivfeldstärke von \vec{H}_C in positive Richtung führt dann wieder zu einer magnetischen Flussdichte von \vec{B}=0. Durch weiteres Erhöhen der magnetischen Feldstärke \vec{H} steigt die magnetische Flussdichte wieder bis zur Sättigung \vec{B}_S an.

Die Schleife die dadurch im B-H-Diagramm entsteht, bezeichnet man als Hysteresekurve, Magnetisierungskurve oder auch Hystereseschleife.

Hysterese, Remanenz, Koerzitivfeldstärke
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Vollständige Hysteresekurve

Weiche Hysteresekurve

Eine Hysteresekurve nennt man weich, wenn es sich um eine sehr schlanke Hysterese handelt. Das bedeutet, dass sie durch eine geringe Koerzitivfeldstärke und eine geringe Remanenz charakterisiert ist. Materialien, die eine solche Hystereseschleife besitzen, werden als Weichmagnete bezeichnet.

Bei einem idealen Weichmagneten, besteht zwischen der magnetischen Feldstärke \vec{H} und der magnetischen Flussdichte \vec{B} ein linearer Zusammenhang. Ein solcher Magnet besitzt bei abgeschaltetem externen Magnetfeld keine Remanenz. 

Harte Hysteresekurve

Im Gegensatz zu Weichmagneten, weist die Hystereseschleife von so genannten Hartmagneten eine hohe Remanenz und eine große Koerzitivfeldstärke auf. Die Hysterse ist bei einem solchen Material also stark ausgeprägt.

Die Hystereseschleife eines idealen harten Magneten hat eine rechteckige Form. Das heißt, dass bei einer bestimmten magnetischen Feldstärke \vec{H} die magnetische Flussdichte \vec{B} schlagartig die Richtung ändert.

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Harte- und weiche Hysteresekurve

Fläche der Hysteresekurve

Die Fläche, welche von der Hystereschleife eingeschlossen wird, entspricht einer Energie. Sie gibt gerade die Energie an, welche man beim Durchlauf der Magnetisierungskurve aufwenden muss. Während dem Magnetisierungsvorgang wird diese Energie als Wärme frei. Bei Hartmagneten ist diese Energie größer als bei Weichmagneten. Das bedeutet, dass man für die Magnetisierung eines Hartmagneten mehr Energie aufwenden muss als bei Weichmagneten. Dementsprechend sind Materialien, die sich wie Hartmagnete verhalten, robuster gegen externe Störungen und eignen sich gut für Permanentmagnete.

Entmagnetisierung

Betrachtet man ein durch Hysterese magnetisiertes Material, so kann man durch ein externes Magnetfeld die magnetische Flussdichte auf den Wert null bringen \vec{B}=0. Aber das Material nennt man dann noch nicht Entmagnetisiert. Denn beim Verschwinden des externen Magnetfeldes \vec{H}=0 erreicht die magnetische Flussdichte wieder einen endlichen Wert \vec{B}\neq0. Um das Material komplett zu entmagnetisieren, sodass auch beim verschwinden des externen Magnetfeldes die magnetische Flussdichte null ist \vec{B}=0, benötigt man ein starkes Wechselmagnetfeld. Man Durchläuft dabei die Hystereseschleife solange mit abnehmender Amplitude, bis das Material vollständig entmagnetisiert ist.

Auftreten von Hysterese-Effekten

Hysterese tritt nicht nur bei magnetischen Materialen auf. Im folgenden werden verschiedene Bereiche genannt, in welchen Hysterese-Effekte existieren:

Sogar im Bereich der Wirtschaftswissenschaften findet der Begriff Hysterese Anwendung. Er beschreibt in diesem Zusammenhang die Reaktion eines Marktes auf externe Effekte, wobei das System den Anfangszustand nicht wieder vollständig erreicht.


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