Remanenz

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Was ist Remanenz?

Die Remanenz oder auch Remanenzflussdichte in einem ferromagnetischen Material (z. B. Eisen) äußert sich über messbare magnetische Kräfte, welche verbleiben, wenn das Material zeitweise einem Magnetfeld ausgesetzt war und magnetisiert wurde. Der Zahlenwert der Remanenz gibt an, wie stark die Magnetisierung ist. Die maximale Remanenz ist ein materialspezifischer Wert, der aus der Hysteresekurve bestimmt werden kann.

Inhaltsverzeichnis

Unter Remanenz versteht man die Magnetisierung, welche nach Abschalten eines äußeren Magnetfeldes in einem ferromagnetischen Stoff verbleibt. Man spricht auch von Remanenzflussdichte.

Wird ein Körper einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt, so kommt es zu einer Magnetisierung. Das Magnetfeld, welches durch die Magnetisierung selbst entsteht, ist in ferromagnetischen Stoffen besonders stark und dem äußeren Magnetfeld gleichgerichtet.

Remanenz bei ferromagnetischen Materialien

Bei Raumtemperatur sind nur die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt ferromagnetisch. Daneben gibt es noch ferromagnetische Legierungen und Verbindungen sowie Elemente, die bei tiefen Temperaturen ferromagnetisch werden.

Ferromagnetische Stoffe wiederum zeigen eine starke Remanenz, wenn das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird.

Remanenz kann im alltäglichen Leben beobachtet werden, wenn ein eisenhaltiger Körper wie beispielsweise eine Schere einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird. Man beobachtet dann, dass die Schere zum Beispiel eisenhaltige Stecknadeln anziehen kann, obwohl der Magnet von der Schere bereits entfernt wurde.

Physikalische Erklärung der Remanenz

Zur Erklärung der Remanenz kann man sich vorstellen, dass jeder Stoff aus Atomen mit Atomkernen und Elektronen besteht. Die Elektronen besitzen einen sogenannten "Spin", welcher magnetische Eigenschaften besitzt.

Die Physik der Remanenz hat etwas mit dem Elektronenspin zu tun. Die Elektronenspins verhalten sich wie winzige Elementarmagnete. Sie sind ohne ein äußeres Magnetfeld nicht gleichmäßig ausgerichtet und sind außerdem ständig in Bewegung. Diese Bewegung nimmt bei höheren Temperaturen zu. Stellt man sich die Elektronenspins als Stabmagnete vor, so zeigen die Pole dieser vielen winzigen Stabmagnete in verschiedene und zudem ständig wechselnde Richtungen. Der Körper ist deshalb als Ganzes nicht magnetisch.

Bei der Magnetisierung eines ferromagnetischen Körpers in einem äußeren Magnetfeld werden die Elementarmagnete alle parallel ausgerichtet. Der Nordpol aller mikroskopischen Magnete zeigt in die eine, der Südpol in die andere Richtung.

Ist die Temperatur nicht zu groß, so bleiben in einem Ferromagneten die Elektronenspins auch ausgerichtet, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird. Dies liegt an einer gegenseitigen Wechselwirkung der Elektronenspins, der sogenannten Austauschwechselwirkung, die in Ferromagneten besonders stark ist. Jeder Elementarmagnet wird in seiner Ausrichtung stabilisiert. Der Körper bleibt dann als Ganzes merklich magnetisch. Diese bleibende Magnetisierung ist die Remanenz.

In magnetisch harten Materialien verbleibt bei gleichem äußeren Magnetfeld eine größere Remanenz als in magnetisch weichen Materialien.

Remanenz verschwindet, wenn der magnetisierte Körper stark erhitzt oder stark erschüttert wird, weil dies die Ausrichtung der Elektronenspins wieder verändert. Auch ein entgegengesetzt gepoltes Magnetfeld kann die Remanenz verschwinden lassen. Hierzu ist eine ganz bestimmte magnetische Feldstärke, das sogenannte Koerzitivfeld, nötig, damit es einerseits zur vollständigen Entmagnetisierung kommt, sich aber andererseits noch nicht eine entgegengesetzt gepolte Remanenz aufbaut.

Der Effekt, dass die Magnetisierung ferromagnetischer Körper nicht streng proportional der Änderung des äußeren Magnetfeldes folgt, also insbesondere Remanenz verbleibt, wenn das äuβere Magnetfeld abgeschaltet wird, wird auch als Hysterese bezeichnet.

Die Stärke der Remanenz wird über die sogenannte magnetische Flussdichte angegeben, welche in den Einheiten Tesla oder Gauss gemessen wird. Dabei gilt die Umrechnung 1 T = 1 Tesla = 10 000 Gauss = 10 kG.

Abb. Hysteresekurve für ein magnetisch weiches Material (links) und ein magnetisch hartes Material (rechts). Für das noch unmagnetisierte Material zeigt die rote "Neukurve" den Verlauf der Magnetisierung über dem äußeren Feld an. Dabei gilt die jeweilige Kurve für den durch die Pfeile dargestellten Verlauf.

Typische Punkte der Hysteresekurve sind das Koerzitivfeld H_c, welches nötig ist, um die Remanenz des Materials durch das äußere Feld zu kompensieren, sowie die Remanenz B_R selbst, welche die verbleibende magnetische Flussdichte bei verschwindendem äußeren Magnetfeld bezeichnet. Schließlich gibt es noch die Sättigungsflussdichte B_S, bei der alle Elektronenspins ausgerichtet sind.

In jedem Magnet ist durch die Ausrichtung der Elektronenspins eine bestimmte Menge an Energie gespeichert, welche durch das Energieprodukt angegeben wird. Die Ausrichtung der Elektronenspins wird bei hohen Temperaturen zerstört. Die gespeicherte magnetische Energie (Betrag des Energieproduktes als Zahl) sowie die maximale Einsatztemperatur (angegeben mit einer Buchstabenkombination, z.B. "N" für 80 °C) bestimmen die Güte des Magneten. Ein Magnet mit einer hohen Güte hat also auch eine große Remanenz und demnach starke magnetische Kräfte.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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