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Aus einer internen Publikation der BASF vermutlich 1964

C) Die magnetischen Begriffe

Aus "Einführung in die Technik des Magnetbandes" von 1964/66

anschauliche Erklärung der wichtigsten Begriffe, die zum weiteren Die physikalischen Begriffe sind nicht immer ganz einfach zu verstehen. Hier eineVerständnis notwendig sind.

1. Permanentmagnetismus

Ein Magnet ist bekanntlich ein Stück Eisen (Eisenlegierung oder -Verbindung) mit zwei besonders auffälligen Eigenschaften: er zieht Eisen an und sucht sich, falls er frei aufgehängt wird, in eine bestimmte Richtung im Raum einzustellen.

Die anziehende Wirkung auf Eisen geht insbesondere von zwei an entgegengesetzten Enden des Magneten befindlichen Stellen aus, die man seine Pole nennt. Die Erscheinung des Magnetismus wurde schon im Altertum an gewissen Eisenerzen beobachtet; natürliche Magnete (stabförmige) wurden schon sehr früh als Kompaß in der Schiffahrt benutzt.

Die Pole eines Magneten werden entsprechend seiner Einstellung in die Nord-Süd-Richtung mit Nordpol und Südpol bezeichnet; sie zeigen ein gegensätzliches Verhalten. Bei der Untersuchung zweier Magnete kann man nämlich feststellen, daß der nach Norden weisende Pol (Nordpol) des einen, den nach Norden weisenden Pol des anderen abstößt, dessen nach Süden weisenden Pol (Südpol) jedoch anzieht. Da sich gleichnamige Pole abstoßen, ungleichnamige Pole jedoch anziehen, muß am geographischen Nordpol der magnetische Südpol liegen und umgekehrt. In ihrer anziehenden Wirkung auf unmagnetisches Eisen unterscheiden sich Nord- und Südpol jedoch in keiner Weise.

Die von den Polen eines Magneten ausgehende Wirkung wird durch sogenannte Feldlinien oder Kraftlinien beschrieben. Die Richtung der Feldlinien gibt dabei die Richtung des Magnetfeldes an, also diejenige Richtung, in die sich eine in das Feld gebrachte Kompaßnadel einstellen würde. Die Darstellung durch Feldlinien hat außerdem die Eigenschaft, daß aus ihrer Dichte die Stärke des Magnetfeldes ersehen werden kann: je enger die Feldlinien, desto stärker das Magnetfeld und umgekehrt.

Bild 3 zeigt das Feldlinienbild eines Stabmagneten, das man erhalten kann, wenn ein über einen Magnet gelegtes Blatt Papier mit Eisenpulver oder Eisenfeilspänen bestreut wird. Die Feldlinien treten am Nordpol oder in dessen Nähe aus dem Magnet aus, beschreiben einen mehr oder weniger langen Weg durch die Luft, treten am Südpol oder in dessen Nähe wieder in den Magnet ein und schließen sich in seinem Inneren. Es sei darauf hingewiesen, daß die magnetischen Feldlinien stets in sich geschlossen sind und niemals an einem Punkt beginnen oder enden.

Teilt man einen Stabmagnet (z.B. eine magnetisierte Stricknadel) zwischen seinen beiden Polen, so erhält man zwei Magnete mit wieder je einem Nord-und einem Südpol. So oft man diese Teilung auch durchführt, es wird niemals gelingen, Nordpol und Südpol voneinander zu trennen. Es gibt keine freien magnetischen Pole, Nord- und Südpol kommen in der Natur immer nur als Paar vor (Dipoleigenschaft des Magnetismus).

Denken wir uns die Teilung eines Magneten (in Längs- und Querrichtung) immer weiter fortgesetzt, so kommen wir schließlich zu mikroskopisch kleinen Magnetchen. Unser Gedankenexperiment wäre erst beendet, wenn wir mit unserer stets fortgeführten Teilung bei magnetischen Partikelchen angelangt wären, die bereits in der Größenordnung von mehreren 100 oder 1.000 Moleküldurchmessern liegen. Diese kleinsten Teilchen mit magnetischen Polen, die bei weiterei Teilung jeden Magnetismus verlieren würden, bezeichnet man als Elementarmagnete oder elementare magnetische Bezirke.

Die Elementarmagnete sind so winzig, daß es in einem kleinen Stück magnetischen Materials eine unvorstellbar große Anzahl gibt. In einem unmagnetischen Stück Eisen befinden sich nun die Elementarbezirke in einem Zustand völliger Unordnung. Da ihre magnetischen Achsen ganz regellos über alle räumlichen Richtungen verteilt sind, heben sich ihre Einzelwirkungen nach außen hin auf (Abb. 4a).

Bei einem Magnet (magnetisiertes Eisen) sind die Elementarmagnete hingegen mehr oder weniger stark ausgerichtet, so daß sich ihre Einzelwirkungen verstärken und nach außen hin in Erscheinung treten (Abb. 4b). Die Ausrichtung der Elementarmagnete, die man sich durch Drehen oder Umklappen der magnetischen Bezirke entstanden denken kann, wird als Magnetisierung bezeichnet. So kann z.B. ein unmagnetisches Stück Eisen (Nagel) durch Bestreichen mit einem Magnet magnetisiert werden, d.h., seine vorher regellos verteilten magnetischen Elementarbezirke werden unter der Kraftwirkung des Magneten mehr oder weniger ausgerichtet und das Material wird selbst zum Magneten.

2. Elektromagnetismus

Wird durch einen zu einer Spule aufgewickelten Draht ein Strom (Gleichstrom) geschickt, so kann eine von dieser Spule ausgehende magnetische Wirkung nachgewiesen werden. Die Stärke des von der Spule erzeugten magnetischen Feldes (magnetische Feldstärke) ist der Größe des durchfließenden Stromes proportional. Eine zylinderförmige Luftspule, die in Abb. 5 schematisch dargestellt ist, weist dabei einen ähnlichen Feldlinienverlauf wie ein Stabmagnet auf. Im Inneren der Spule verlaufen die Feldlinien etwa parallel, treten an den Stirnseiten der Spule (Pole) nach außen und schließen sich über einen mehr oder weniger langen äußeren Weg. Kehrt man die Stromrichtung in der Spule um (Plus- und Minuspol vertauscht), so kehren sich auch die magnetischen Pole um (Nord- und Südpol vertauscht).

Die Kraftwirkung einer solchen Luftspule kann durch einen in die Spule eingeführten Kern aus einem ferromagnetischen Material (z.B. Eisen) beträchtlich verstärkt werden. Die Vergrößerung der Kraftwirkung hat ihre Ursache darin, daß das ferromagnetische Material die Kraftlinien wesentlich besser leitet als die Luft (guter magnetischer Leiter); außerdem wird der Eisenkern unter der Wirkung des Magnetfeldes der Spule magnetisiert und so selbst zum Magneten. Mit dem Mechanismus dieser Magnetisierung wollen wir uns im folgenden etwas näher auseinandersetzen.

a) Magnetisierung

Ausgangspunkt unserer Betrachtungen sei ein zylindrisches Stück ferromagnetischen Materials wie z.B. Eisen im Inneren einer Magnetspule (Spule mit Eisenkern). Der in der Spule befindliche Kern soll als unmagnetisch oder besser als unmagnetisiert angenommen werden, seine Elementarmagnete also als völlig ungeordnet.

Die Anschlüsse der Spule wollen wir uns über einen Regelwiderstand mit einer Stromquelle (Gleichstrom) verbunden denken, so daß der die Spule durchfließende Strom in beliebiger Größe eingestellt werden kann (Abb. 6). Gehen wir zunächst vom stromlosen Zustand aus und schalten dann einen geringen Strom durch die Spule ein. Das von der Spule erzeugte magnetische Feld verläuft in ihrem Inneren fast ausschließlich durch den Eisenkern, so daß es an jeder Stelle des Kernes gleich groß ist.

Die Elementarmagnete des Eisenkernes stehen daher unter der Kraftwirkung-dieses Feldes und versuchen, sich - ähnlich wie eine Kompaßnadel - in die Richtung des Feldes (Richtung der Feldlinien) einzustellen. Diese Ausrichtung wird bei kleinem Magnetfeld sehr schwach sein, da sich zunächst nur die am leichtesten beweglichen und besonders günstig orientierten Elementarbezirke in Feldrichtung drehen. Bei Erhöhung des Stromes, also bei Vergrößerung der magnetischen Feldstärke, werden jedoch immer mehr Elementarmagnete in Richtung des Feldes gezogen und somit ausgerichtet.

Bei weiterer Erhöhung der Feldstärke werden schließlich auch die "hartnäckigsten" Elementarbezirke umklappen und mehr oder weniger "widerwillig" dem Zwang des ausrichtenden Feldes Folge leisten. Eine weitere Steigerung des Spulenstromes hat dann keinerlei Einfluß mehr auf die Ausrichtung der Elementarbezirke; die Sättigung der Ausrichtung oder, wie man sagt, die Sättigung der Magnetisierung, ist erreicht.

Die Magnetisierung, die also eine reine Material- eigenschaft ist, wird in ihrem Verlauf in Abb. 7 graphisch dargestellt. Hier ist auf der waagrechten Achse (Abszisse) die magnetische Feldstärke H (gemessen in Oersted, Abkürzung: Oe) aufgetragen, die dem Spulenstrom und der Windungszahl proportional ist. Auf der senkrechten Achse (Ordinate) ist die Magnetisierung M aufgetragen (gemessen in Gauß, Abkürzung: G). Die Magnetisierungskurve, auch Neukurve genannt, beginnt im Schnittpunkt beider Achsen, also an dem Punkt, an dem die Feldstärke H und die Magnetisierung beide Null sind.

Mit langsam größer werdendem Feld erfolgt zunächst nur ein geringer Anstieg der Magnetisierung (linker flacher Teil der Kurve), da sich bei kleinen Feldstärken nur erst wenig Elementarbezirke ausrichten. Es folgt ein mit wachsender Feldstärke immer größerer Anstieg der Magnetisierung (steiler mittlerer Teil der Kurve), ein Bereich also, in dem sich der weitaus größte Teil aller Elementarmagnete in Feldrichtung dreht. Die Kurve geht schließlich mit weiter anwachsendem Feld wieder in einen flacheren Teil über, in dem sich nach und nach auch die letzten Bezirke in Feldrichtung einstellen. Bei vollständiger Ausrichtung verläuft die Magnetisierungskurve in horizontaler Richtung, es erfolgt kein weiterer Anstieg, die Sättigungsmagnetisierung Ms ist erreicht. Sie ist der größtmögliche Wert der Magnetisierung überhaupt.

Die Größe der Sättigungsmagnetisierung ist bei den verschiedenen ferromagnetischen Stoffen unterschiedlich und vor allem durch die Struktur bedingt. Man kann sich vorstellen, daß sie auch von der Anzahl der Elementarbezirke pro Volumen, also von deren Dichte im Material abhängig ist.

Die Stärke des ausrichtenden Feldes, bei dem die Sättigung der Magnetisierung erreicht ist, nennt man die Sättigungsfeldstärke Hs; auch diese kann von Material zu Material sehr verschieden sein, je nachdem, ob sich der Stoff leichter oder schwerer magnetisieren läßt.

b) Hysteresekurve

Wir hatten festgestellt, daß bei hinreichend starkem Magnetfeld der Spule eine vollkommene Ausrichtung aller Elementarbezirke im Eisenkern erreicht wird. Schalten wir nach Erreichen der Sättigungsmagnetisierung den Strom ab, lassen wir also das Magnetfeld der Spule auf Null zurückgehen, so können wir einen verbleibenden Restmagnetismus im Eisen feststellen. Der zuvor unmagnetische Eisenkern ist magnetisch (zum Magneten) geworden.

Diese Erscheinung läßt sich dadurch erklären, daß nach dem Abschalten des Spulenfeldes nicht wieder alle Elementarmagnete ihre ursprüngliche Stellung einnehmen, sondern in ihrer Gesamtheit mehr oder weniger stark ausgerichtet bleiben. In der graphischen Darstellung bedeutet dies, daß der Ausgangspunkt der Magnetisierungskurve, also der Schnittpunkt der Achse, nicht wieder erreicht wird, sondern daß sich bei abgeschaltetem Feld (Feldstärke H = 0) ein Zustand bleibender Magnetisierung ergibt, den wir mit Remanenz oder remanenter Magnetisierung Mr bezeichnen (remanere, lat.: zurückbleiben).

In Abb. 8 ist dieser Punkt auf der senkrechten Achse gekennzeichnet. Kehren wir nunmehr die ursprüngliche Stromrichtung um und lassen den Strom durch die Spule wieder langsam anwachsen, dann wird die Feldstärke H negativ und die Magnetisierungskurve findet ihre Fortsetzung links von der senkrechten Achse (Pfeilrichtung). Obwohl mit der Stromrichtung auch das Magnetfeld der Spule umgekehrt ist, besteht zunächst noch eine Magnetisierung des Eisenkerns in der ursprünglichen Richtung (Magnetisierung positiv, nach oben aufgetragen).

Die Magnetisierung verschwindet erst, wenn das (entgegengesetzte) Feld die mit -Hc bezeichnete Größe erreicht hat. Es ist also ein Gegenfeld dieser Größe erforderlich, um den Zustand der remanenten Magnetisierung aufzuheben, d.h., um die bestehende Ausrichtung der Elementarbezirke wieder zu beseitigen.

Eine weitere Erhöhung der (negativen) Feldstärke hat nunmehr eine ebenfalls zur ursprünglichen Richtung umgekehrte Magnetisierung zur Folge (Magnetisierung negativ, nach unten aufgetragen). Bei weiterer Steigerung der Feldstärke erreicht die Magnetisierung schließlich ihren (negativen) Sättigungswert -Ms. Die Werte Ms und -Ms sind ihrem Betrag nach gleich, ebenso die Werte Hs und -Hs. Daß dies so sein muß wird verständlich, wenn man bedenkt, daß das zunächst unmagnetische Material keinerlei Vorzug für eine bestimmte Magnetisierungsrichtung aufweist.

Läßt man von dem jetzt erreichten Punkt der (negativen) Sättigungsmagnetisierung das magnetische Feld auf Null abnehmen, so gelangen wir zum Punkt der (negativen) Remanenz -Mr. Ein Ansteigen der Feldstärke in der ursprünglichen (positiven) Richtung läßt die Magnetisierung nach und nach wieder den Wert (positiver) Sättigung erreichen.

Es wird also eine geschlossene Kurve durchlaufen
, die man mit Hysteresekurve bezeichnet. Da wir unseren Eisenkern bis zur Sättigung, also bis zur völligen Ausrichtung aller Elementarbezirke magnetisiert hatten, erhalten wir als Hysteresekurve (Abb. 8) auch die äußerste Grenzkurve, die mit "Grenzhysteresis" bezeichnet wird.

c) Koerzitivkraft

Wir hatten gesehen, daß zur Beseitigung einer einmal erzeugten remanenten Magnetisierung (Punkt Mr in Abb. 8) ein der Magnetisierungsrichtung entgegengesetztes Feld der Größe -Hc erforderlich ist. Man nennt diesen Wert des Gegenfeldes die Koerzitivkraft (Hc) eines Materials, die ebenso wie die Feldstärke in Oersted gemessen wird.

Die Koerzitivkraft ist somit ein Maß, das angibt, wie leicht oder wie schwer eine einmal vorhandene Remanenz wieder zu beseitigen ist. So werden z.B. für technische Magnete, die ihren Magnetismus (Remanenz) über lange Zeit behalten sollen, nur Materialien mit großer Koerzitivkraft verwendet, die man als "magnetisch hart" bezeichnet. Magnetisch weiche Materialien, also Stoffe mit niedriger Koerzitivkraft, sind demgegenüber leichter zu entmagnetisieren.

d) Remanenzkurve

Bei der Magnetisierung des Eisenkerns durch das Feld der Spule hatten wir den Strom und damit die Feldstärke stets so weit erhöht, daß das Material bis zur Sättigung magnetisiert wurde. Denken wir uns den vorhin im einzelnen beschriebenen Vorgang der Magnetisierung noch einmal durchgeführt und lassen die Feldstärke jedoch nur bis auf einen Höchstwert ansteigen, der unterhalb der Sättigungsfeldstärke Hs liegt, so gelangen wir zu einer Hysteresekurve geringerer Aussteuerung. Bei der fortgeführten Wiederholung mit unterschiedlichen Maximalwerten der Feldstärke erhalten wir - falls wir stets vom unmagnetischen Zustand des Kernes ausgehen - eine ganze Schar von ineinanderliegenden Hysteresekurven.

Abb 9

Aus der Abb. 9 sind Lage und Form dieser Kurven bei insgesamt sechs verschiedenen Aussteuerungen ersichtlich. Die äußere Hysteresis entspricht dabei der in Abb. 8 dargestellten Grenzhysteresis. Die sechs Hysteresekurven sind durch die Maximalwerte ihrer Aussteuerung H1 bis H6 gekennzeichnet. Die zu jeder Kurve gehörende remanente Magnetisierung wurde entsprechend mit Mr1 bis Mr6 bezeichnet. Der Wert Mr6 liegt auf der Grenzhysteresis und ist der größtmögliche Wert der Remanenz überhaupt. Man nennt ihn deswegen auch Sättigungsremanenz oder remanente Sättigungsmagnetisierung (Mrs).

Wie aus Abb. 9 ersichtlich ist, besteht eine Beziehung zwischen maximaler Feldstärke (H1 bis H6) und dazugehörender Remanenz (Mr1 bis Mr6).

Abb 10

Dieser Zusammenhang ist in Abb. 10 herausgezeichnet; die sich ergebende Kurve heißt Remanenzkurve.

Unter der Voraussetzung, daß man stets vom entmagnetisierten Zustand des Materials ausgeht, gibt die Remanenzkurve also die Größe der remanenten Magnetisierung an in Abhängigkeit von der höchsten Feldstärke, der man das Material aussetzt. Die Remanenzkurve zeigt große Ähnlichkeit mit der Neukurve, darf jedoch nicht mit dieser verwechselt werden. Auf den wichtigen Zusammenhang zwischen Feldstärke und Remanenz werden wir bei der Beschreibung des magnetischen Aufzeichnungsverfahrens noch einmal zurückkommen.

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