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Versuche

Modellversuch zur Magnetisierung

Aufbau und Durchführung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 ​WEISSsche Bezirke bei einer Vielzahl von Magnetnadeln

In der Anordnung in Abb. 1 sind 117 Magnetnadeln auf Spitzenlagern zwischen zwei quadratischen Plexiglasplatten montiert.

Es zeigt sich, dass schon ohne äußeres Magnetfeld, allein durch die Wechselwirkung der Magnetnadeln untereinander, Bereiche gleicher Magnetnadelausrichtung entstehen. Diese Bereiche nennt man WEISSsche Bezirke.

Diese Modellanordnung für einen ferromagnetischen Kristall wird zwischen zwei HELMHOLTZ-Spulenpaare gebracht.

Da das magnetische Erdfeld bei der folgenden Versuchsausführung störend wirkt, lässt man durch ein Spulenpaar einen schwachen Strom fließen, so dass die Horizontalkomponente des magnetischen Erdfeldes durch das Magnetfeld der Spule gerade kompensiert wird. Die Kompensation ist ideal, wenn eine zwischen die Spulen gebrachte große Kompassnadel in jeder Stellung zur Ruhe kommt.

Bewegt man einen sehr schwachen Permanentmagneten über das Modell, so geraten dessen Magnetnadeln in ungeordnete Rotationsbewegungen. Nach dem Entfernen des Permanentmagneten stellen sich Zonen gleicher Magnetisierung ein (WEISSsche Bezirke). Die Ausrichtung der Magnetnadeln verteilt sich einigermaßen gleichmäßig auf die vier Richtungen, welche durch die Kanten des Modells vorgegeben sind. Das Magnetnadelmodell ist in diesem Zustand nach außen hin weitgehend unmagnetisch.

Beobachtung

Lässt man nun durch das zweite HELMHOLTZ-Spulenpaar einen kontinuierlich ansteigenden Strom fließen, so drehen sich einige Nadeln in eine andere, zum äußeren Magnetfeld günstigere Richtung ("sie hängen ihr Fähnchen in den Wind"). Meist treten beim skizzieren Modell 90°-Drehungen auf. Die WEISSschen Bezirke verändern sich in ihrer Anordnung.

Bei weiterer Erhöhung des Stromes durch das zweite HELMHOLTZ-Spulenpaar kommt es sogar zu 180°-Drehungen. Diese deutliche Änderung der Magnetisierungsrichtung kann makroskopisch durch messbare Induktionsspannungen nachgewiesen werden (BARKHAUSEN-Effekt). Auch in dieser Phase sind beim verwendeten Modell die Nadeln fast ausschließlich parallel zu den Kanten des Modells ausgerichtet.

Erhöht man das äußere Magnetfeld nochmals weiter, so drehen sich die Nadeln schließlich in Richtung des äußeren Feldes (Drehprozesse).

Die folgende Animation gibt ein mögliches Versuchsergebnis wieder, welches mit dem abgebildeten kubischen Magnetnadel-Modell gewonnen werden kann.

Abb. 3 Beobachtungen und Erklärung zum Modellversuch zur Magnetisierung

In dem Diagramm rechts ist der Verlauf der magnetischen Feldstärke \(B\) (Flussdichte) in Richtung des äußeren Magnetfeldes in Abhängigkeit vom Strom durch das zweite Spulenpaar qualitativ dargestellt. Als Maß für die Stärke des Magnetfeldes wird dabei die Zahl der Nadeln in Richtung des äußeren Magnetfeldes verwendet (bildet die Nadel mit der äußeren Feldrichtung einen Winkel, so ist nur die entsprechende Komponente zu berücksichtigen).

  • Es zeigt sich, dass Spulenstrom und Magnetfeldstärke - entgegen den Verhältnissen bei der "luftgefüllten" Spule - nicht zueinander proportional sind.
  • Außerdem kann man nach Abschalten des Spulenstroms feststellen, dass trotzdem noch eine resultierende Magnetisierung des Modells in Richtung des vorher vorhandenen äußeren Feldes besteht. Die entsprechende Magnetfeldstärke wird als Remanenz bezeichnet.
  • Man könnte nun das äußere Feld in die entgegengesetzte Richtung von Null an steigern und wiederum die Magnetisierung "auszählen". Auf diese Weise würde man den vollständigen Zusammenhang zwischen dem Spulenstrom und der resultierenden Magnetfeldstärke erhalten. Die dabei entstehende Kurve ist komplex und wird als Hysteresiskurve bezeichnet.