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Magnetische Werkstoffe

Unterschiede zwischen Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus und Ferrimagnetismus, Berechnung der Sättigungsmagnetisierung, Weiss-Bezirke und Domänenwände, Eindomänenteilchen und Superparamagnetismus, Verluste weichmagnetischer Werkstoffe sowie Koerzitivfeldstärke und maximales Energieprodukt von Dauermagneten mit Multiple-Choice-Fragen prüfen.

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Magnetische Werkstoffe: das Wichtigste

Der Magnetismus eines Stoffes wird danach eingeteilt, wie die magnetischen Momente der Atome angeordnet sind. Ferromagnetika, in denen die Austauschwechselwirkung die Momente parallel ausrichtet, besitzen auch ohne äußeres Feld eine spontane Magnetisierung, zerfallen aber in viele Weiss-Bezirke (Domänen), um die magnetostatische Energie der Oberflächenpole zu verringern. Beim Magnetisieren verschieben sich in schwachen Feldern die Domänenwände, in starken Feldern dreht sich die Magnetisierung innerhalb der Weiss-Bezirke. Ferrimagnetika (Ferrite), in denen sich die antiparallelen Momente der Untergitter nicht aufheben, sind Oxide mit hohem elektrischem Widerstand.

In der Anwendung verwendet man für die Kerne von Transformatoren und Motoren weichmagnetische Werkstoffe mit kleiner Koerzitivfeldstärke und geringen Verlusten, für die Erregung von Motoren und Generatoren hartmagnetische Werkstoffe (Dauermagnete) mit großer Koerzitivfeldstärke und großem maximalem Energieprodukt. Bei weichmagnetischen Werkstoffen hält man magnetokristalline Anisotropie und Magnetostriktion klein und unterdrückt Wirbelstromverluste durch dünne Bleche und einen höheren spezifischen Widerstand. Bei Dauermagneten erhöht eine starke einachsige magnetokristalline Anisotropie die Koerzitivfeldstärke. Kleine Teilchen werden eindomänig, noch kleinere superparamagnetisch.

Alle Fragen zum Thema „Magnetische Werkstoffe“ (15)
  1. Welche Art von Magnetismus zeigt ein Stoff, dessen magnetische Suszeptibilität χ negativ und mit etwa 10⁻⁵ sehr klein ist?
  2. Welche Aussage beschreibt den Ferrimagnetismus von Ferriten wie Magnetit (Fe₃O₄) richtig?
  3. Das magnetische Moment pro Atom von Eisen (krz, Gitterkonstante 0,2866 nm) betrage 2,22 µB. Welcher Wert kommt der Sättigungsmagnetisierung Ms bei 0 K, wenn alle Momente ausgerichtet sind, am nächsten? Für das Bohrsche Magneton gilt µB = 9,27×10⁻²⁴ A·m².
  4. Magnetit Fe₃O₄ hat eine inverse Spinellstruktur: Auf den A-Plätzen (Tetraederplätzen) sitzt ein Fe³⁺, auf den B-Plätzen (Oktaederplätzen) je ein Fe³⁺ und ein Fe²⁺, und die Momente der A- und B-Plätze sind antiparallel ausgerichtet. Welches magnetische Moment ergibt sich pro Formeleinheit Fe₃O₄, wenn man für Fe³⁺ 5 µB und für Fe²⁺ 4 µB ansetzt und nur der Spin beiträgt?
  5. Was ist der Hauptgrund dafür, dass ein Ferromagnet auch ohne äußeres Feld in viele Weiss-Bezirke zerfällt?
  6. Wie ändert sich die Koerzitivfeldstärke von Teilchen eines Ferromagneten, wenn man sie von einigen µm bis auf nm-Größe verkleinert?
  7. Die Energiebarriere für die thermische Umkehr der Magnetisierung eines Eindomänenteilchens mit dem Volumen V sei KV (K: magnetische Anisotropiekonstante); bei einer Messzeit von etwa 100 s gilt KV = 25kT als Richtwert für die Grenze zum Superparamagnetismus. Welcher Wert kommt mit K = 1,1×10⁴ J/m³, einer Temperatur von 300 K und der Boltzmann-Konstante k = 1,38×10⁻²³ J/K der Obergrenze des Durchmessers eines kugelförmigen Teilchens, das superparamagnetisch wird, am nächsten?
  8. Was ist der Hauptgrund dafür, dass Permalloy (Fe mit ca. 78 % Ni) eine extrem hohe Permeabilität zeigt?
  9. Kornorientiertes Elektroblech (Fe mit ca. 3 % Si) für Transformatorkerne hat bei Magnetisierung in Walzrichtung besonders geringe Verluste und eine hohe Permeabilität. Welche Begründung ist richtig?
  10. Die Wirbelstromverluste von Elektroblech seien proportional zu t²f²Bm² (t: Blechdicke, f: Frequenz, Bm: maximale Flussdichte; gleicher spezifischer Widerstand). Auf etwa das Wievielfache ändern sich die Wirbelstromverluste bei gleicher Frequenz und Flussdichte, wenn die Blechdicke von 0,50 mm auf 0,35 mm verringert wird?
  11. An ein Elektroblech mit dem spezifischen elektrischen Widerstand 4,8×10⁻⁷ Ω·m und der relativen Permeabilität 5000 wird ein magnetisches Wechselfeld von 50 Hz angelegt. Welcher Wert kommt der Skintiefe δ = √(2ρ/(ωµ)) am nächsten? Es gelten ω = 2πf, µ = µᵣµ₀ und µ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m.
  12. Auf der Entmagnetisierungskurve eines Dauermagneten sei der Betrag des Gegenfelds, bei dem die Flussdichte B null wird, die Koerzitivfeldstärke HcB, und der Betrag des Gegenfelds, bei dem die Magnetisierung M null wird, die intrinsische Koerzitivfeldstärke HcJ. Welche Größenbeziehung zwischen beiden folgt aus B = µ₀(H + M)?
  13. Bei einem idealen Dauermagneten, dessen Entmagnetisierungskurve die Gerade B = Br + µ₀H ist (mit ausreichend großem HcJ), beträgt die Remanenzflussdichte Br = 1,40 T. Welcher Wert kommt dem maximalen Energieprodukt (BH)max am nächsten? Es gilt µ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m.
  14. Was ist der wichtigste stoffliche Grund dafür, dass Neodym-Magnete mit Nd₂Fe₁₄B als Hauptphase eine große Koerzitivfeldstärke haben können?
  15. Was ist der Hauptzweck der Zugabe von Dy oder Tb zu Neodym-Magneten, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, etwa in Motoren von Elektroautos?

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