Magnetfeldstärke H, magnetische Flussdichte B, Magnetisierung M und magnetische Polarisation J sind vier grundlegende Konzepte des Magnetismus. Sie hängen zwar zusammen, werden aber mitunter leicht verwechselt. Die Klärung dieser vier Konzepte ist für alle, die in der Magnetwerkstoffindustrie arbeiten, von entscheidender Bedeutung. Heute werden wir ihre Konzepte und Zusammenhänge detailliert erläutern.
Magnetfeldstärke H
Die magnetische Feldstärke H ist eigentlich eine physikalische Größe ohne praktische Bedeutung. Ursprünglich wurde sie auf der Annahme einer magnetischen Ladung definiert, später stellte sich jedoch heraus, dass diese nicht existiert; sie ist lediglich die Kehrseite des elektrischen Stroms.
In den fernen 1820er Jahren machten Wissenschaftler eine Reihe revolutionärer Entdeckungen, die die moderne Magnettheorie einleiteten.
Im Juli 1820 entdeckte der dänische Physiker Hans Ørsted, dass der Stromfluss durch einen Leiter eine Kraft auf eine Magnetnadel ausübt und diese ablenkt. (Ørsteds Experiment – die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms)
Im September, nur eine Woche nachdem diese Nachricht die Französische Akademie der Wissenschaften erreicht hatte, demonstrierte Ampère erfolgreich durch Experimente, dass sich Ströme, die in die gleiche Richtung fließen, auch dann anziehen, wenn sie in entgegengesetzte Richtungen fließen.
Im Jahr 1825 veröffentlichte Ampère das Ampèresche Gesetz, eine Regel, die den Zusammenhang zwischen der Richtung der magnetischen Feldlinien eines elektrischen Stroms und dem von ihm erzeugten Magnetfeld beschreibt.
Mithilfe mechanischer Messungen lässt sich feststellen, dass eine Kompassnadel an Punkten, die denselben Abstand zu einem langen, geraden Leiter haben, die gleiche Magnetfeldstärke erfährt; an Punkten mit unterschiedlichem Abstand ist die Magnetfeldstärke umgekehrt proportional zum Abstand. Daher definieren wir die physikalische Größe der Magnetfeldstärke H mithilfe mechanischer Messungen und der Stromstärke. Ihre Einheit ist Ampere pro Meter (A/m). Im Gaußschen Einheitensystem ist die Einheit von H Oe (1 A/m = 4π × 10⁻³ Oe).
Es gibt viele Interpretationen der magnetischen Feldstärke H. Vereinfachend lässt sich dies erklären, indem man H als ein externes Magnetfeld versteht (analog zur elektrischen Feldstärke; beispielsweise durch Anlegen eines Magnetfelds H an ein Objekt mit einem Strom I).
Magnetische Induktionsstärke B
Die magnetische Feldstärke ist das Magnetfeld, das durch einen angelegten Strom erzeugt wird. In ferromagnetischen Materialien erzeugen die Partikel innerhalb eines Magnetfelds – zusätzlich zum Einfluss des externen Magnetfelds H – unter dessen Einfluss ein induziertes Magnetfeld. Die magnetische Flussdichte B repräsentiert das gesamte Magnetfeld, das ein Partikel “erfährt”; sie ist die Summe aus dem angelegten Magnetfeld H und dem induzierten Magnetfeld M.
Im Vakuum ist die magnetische Flussdichte direkt proportional zum äußeren Magnetfeld, d. h. B = μ₀H, wobei μ₀ die Permeabilität des Vakuums ist. In einem ferromagnetischen Material gilt für die magnetische Flussdichte B = μ₀(H + M), d. h. das gesamte Magnetfeld entspricht μ₀ multipliziert mit der Summe aus dem vom Strom erzeugten Magnetfeld H und dem Magnetfeld M, das entsteht, nachdem das Medium durch H magnetisiert wurde. Die Einheit von B ist Tesla (T), was einer Gaußschen Einheit (Gs) entspricht; 1 T = 10⁻¹² kgs.
Die magnetische Induktionsintensität ist eigentlich die wahre “magnetische Feldstärke” eines Magneten. Da H jedoch historisch als magnetische Feldstärke bezeichnet wurde, wird B alternativ als magnetische Induktionsintensität bezeichnet. Sowohl B als auch H beziehen sich auf die “magnetische Feldstärke”, ihre Einheiten unterscheiden sich jedoch aufgrund unterschiedlicher Definitionen und Herleitungen (im Gaußschen System wird B in Gaußschen Einheiten (Gs) angegeben, während H in Oersted-Einheiten (Oe, 1 Oe = 1 × 10⁻⁴ Wb·m⁻² = 1 × 10⁻⁴ T = 1 Gs) angegeben wird).
Die magnetische Feldstärke H ist ein Magnetfeld in einem virtuellen Raum, wobei Materie in diesem Raum unberücksichtigt bleibt. Sie konzentriert sich auf den Zusammenhang zwischen dem Magnetfeld und dem es erzeugenden Strom. Die magnetische Induktionsstärke B hingegen betrachtet die Stärke des resultierenden Magnetfelds nach dem Hinzufügen realer Materie zum virtuellen Magnetfeld H. Sie konzentriert sich auf die tatsächliche Stärke des von der Materie erzeugten Magnetfelds.
Magnetisierung M
Wir haben bereits die Magnetisierung M erwähnt, das induzierte Magnetfeld, das von Teilchen in Materie unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds erzeugt wird. Die moderne Physik hat bewiesen, dass jedes Elektron in einem Atom sowohl eine Bahn- als auch eine Spinbewegung um den Atomkern ausführt, die beide magnetische Effekte hervorrufen. Betrachtet man ein Molekül als Ganzes, so lässt sich die Summe der von allen Elektronen im Molekül erzeugten magnetischen Effekte durch einen äquivalenten Kreisstrom darstellen. Dieser äquivalente Kreisstrom wird als Molekülstrom bezeichnet, und sein zugehöriges magnetisches Moment heißt Molekülmagnetmoment (pm). Es ist die Vektorsumme der magnetischen Momente aller Elektronenbahnen und der Spinmagnetmomente des Moleküls.
Ohne äußeres Magnetfeld ist die Vektorsumme der magnetischen Momente aller Moleküle in einem beliebigen Volumenelement des magnetischen Mediums null. Befindet sich das magnetische Medium jedoch in einem äußeren Magnetfeld, erfährt jedes Molekül ein Drehmoment, das sein magnetisches Moment in Richtung des Magnetfelds ausrichtet. Daher ist die Vektorsumme der magnetischen Momente aller Moleküle in einem beliebigen Volumenelement unter dem Einfluss des äußeren Magnetfelds ungleich null. Das magnetische Medium weist somit einen gewissen Grad an Magnetismus auf, es ist also magnetisiert. Um den Magnetisierungszustand (Grad und Richtung der Magnetisierung) des magnetischen Mediums zu beschreiben, führen wir den Magnetisierungsvektor M ein, der die Vektorsumme der magnetischen Momente aller Moleküle pro Volumeneinheit darstellt und die Einheit A/m hat.
Um den Zusammenhang zwischen dem induzierten Magnetfeld M und dem angelegten Feld H zu untersuchen, definieren wir die magnetische Suszeptibilität χ = M/H. Eine hohe magnetische Suszeptibilität bedeutet, dass dasselbe externe Magnetfeld ein stärkeres internes induziertes Magnetfeld erzeugen kann; eine niedrige magnetische Suszeptibilität bedeutet, dass das Material selbst bei einem starken externen Magnetfeld nur schwach reagiert. Die magnetische Suszeptibilität kann positiv oder negativ sein. Eine positive magnetische Suszeptibilität χ > 0 bedeutet, dass das erzeugte interne Magnetfeld M in die gleiche Richtung wie das externe Magnetfeld H zeigt. Eine negative magnetische Suszeptibilität χ < 0 bedeutet, dass das durch H im Material erzeugte zusätzliche Magnetfeld M entgegengesetzt zum externen Feld H gerichtet ist.
Magnetische Polarisation J
Im vorangegangenen Text haben wir die magnetische Induktionsstärke B = μ₀(H + M) = μ₀H + μ₀M eingeführt. μ₀M bezeichnen wir als die magnetische Polarisationsstärke des Materials, d. h. J = μ₀M, deren Einheit ebenfalls T (Tesla) ist. Die magnetische Polarisationsstärke J wird physikalisch als das magnetische Dipolmoment pro Volumeneinheit des magnetischen Mediums interpretiert und auch als intrinsische magnetische Induktionsstärke bezeichnet. Ihr Symbol ist Bi oder J. Im Gaußschen Koordinatensystem gilt μ₀ = 1, also J = M.
Bei weichmagnetischen Materialien beträgt die magnetische Feldstärke üblicherweise nicht mehr als 1000 A/m, μ0 ist 4×10-7H/m und J=B-μ0H, sodass der Unterschied zwischen magnetischer Induktionsstärke B und magnetischer Polarisationsstärke J sehr gering ist; bei hartmagnetischen Materialien ist dieser Unterschied jedoch sehr bedeutend, weshalb üblicherweise zwei Beziehungskurven angegeben werden, B=f(H) und J=f(H).
