Eine Familie von Hystereseschleifen für kornorientiertes Elektroblech , ein weichmagnetisches Material. B <sub>R</sub> bezeichnet die Remanenz und H<sub> C </sub> die Koerzitivfeldstärke . Je breiter die äußere Schleife ist, desto höher ist die Koerzitivfeldstärke. Die Bewegung auf den Schleifen erfolgt gegen den Uhrzeigersinn.

Die Koerzitivfeldstärke , auch magnetische Koerzitivfeldstärke oder Koerzitivfeldstärke genannt , ist ein Maß für die Fähigkeit eines ferromagnetischen Materials , einem externen Magnetfeld standzuhalten, ohne entmagnetisiert zu werden . Die Koerzitivfeldstärke wird üblicherweise in Oersted oder Ampere pro Meter gemessen und mit H /C abgekürzt .

Eine analoge Eigenschaft in der Elektrotechnik und Materialwissenschaft , die elektrische Koerzitivfeldstärke , ist die Fähigkeit eines ferroelektrischen Materials, einem externen elektrischen Feld standzuhalten, ohne depolarisiert zu werden .

Ferromagnetische Werkstoffe mit hoher Koerzitivfeldstärke werden als magnetisch hart bezeichnet und zur Herstellung von Permanentmagneten verwendet . Werkstoffe mit niedriger Koerzitivfeldstärke gelten als magnetisch weich . Letztere finden Anwendung in Transformatoren- und Induktorkernen , Aufzeichnungsköpfen , Mikrowellengeräten und magnetischen Abschirmungen .

Definitionen

Grafische Definition verschiedener Koerzitivfeldstärken in der Fluss-Feld-Hysteresekurve (BH-Kurve) für ein hypothetisches hartmagnetisches Material.
Äquivalente Definitionen für die Koerzitivfeldstärke in Bezug auf die Magnetisierungs-Feldstärke-Kurve (MH-Kurve) für denselben Magneten.

Die Koerzitivfeldstärke eines ferromagnetischen Materials ist die Stärke des angelegten Magnetfelds ( H- Feldstärke), die erforderlich ist, um das Material zu entmagnetisieren, nachdem die Magnetisierung der Probe durch ein starkes Feld bis zur Sättigung gebracht wurde . Dieses Entmagnetisierungsfeld wird entgegengesetzt zum ursprünglichen Sättigungsfeld angelegt. Es gibt jedoch unterschiedliche Definitionen der Koerzitivfeldstärke, je nachdem, was als „entmagnetisiert“ gilt, weshalb der Begriff „Koerzitivfeldstärke“ mehrdeutig sein kann.

  • Die normale Koerzitivfeldstärke H <sub> Cn </sub> ist das Magnetfeld H, das erforderlich ist, um den magnetischen Fluss (mittleres Magnetfeld B im Inneren des Materials) auf Null zu reduzieren.
  • Die intrinsische Koerzitivfeldstärke , H Ci , ist das H- Feld, das erforderlich ist, um die Magnetisierung (mittleres M- Feld im Inneren des Materials) auf Null zu reduzieren.
  • Die Remanenzkoerzitivfeldstärke H <sub> Cr </sub> ist das Magnetfeld H, das erforderlich ist, um die Remanenz auf Null zu reduzieren. Das bedeutet, dass, wenn das Magnetfeld H schließlich auf Null zurückkehrt, sowohl B als auch M auf Null fallen (das Material erreicht den Ursprung der Hysteresekurve). [ 1 ]

Der Unterschied zwischen normaler und intrinsischer Koerzitivfeldstärke ist bei weichmagnetischen Materialien vernachlässigbar, kann aber bei hartmagnetischen Materialien signifikant sein. [ 1 ] Die stärksten Seltenerdmagnete verlieren bei H<sub> Cn</sub> nahezu keine Magnetisierung .

Experimentelle Bestimmung

Koerzitivfelder einiger magnetischer Materialien
Material Koerzitivfeldstärke (kA/m)
Supermalloy (16 Fe :79 Ni :5 Mo ) 0,0002 [ 2 ] : 131, 133
Permalloy ( Fe :4 Ni ) 0,0008–0,08 [ 3 ]
Eisenfeilspäne (0,9995 Gew.-% ) 0,004–37,4 [ 4 ] [ 5 ]
Elektrostahl (11Fe:Si) 0,032–0,072 [ 6 ]
Roheisen (1896) 0,16 [ 7 ]
Nickel (0,99 Gew.-%) 0,056–23 [ 5 ] [ 8 ]
Ferritmagnet (Zn x FeNi 1− x O 3 ) 1.2–16 [ 9 ]
2Fe:Co, [ 10 ] Eisenpol 19 [ 5 ]
Kobalt (0,99 Gew.-%) 0,8–72 [ 11 ]
Alnico30–150 [ 12 ]
Aufzeichnungsmedium für Festplattenlaufwerke ( Cr : Co : Pt ) 140 [ 13 ]
Neodym-Magnet (NdFeB) 800–950 [ 14 ] [ 15 ]
12 Fe :13 Pt ( Fe 48 Pt 52 ) ≥980 [ 16 ]
?( Dy , Nb , Ga ( Co ):2 Nd :14 Fe : B ) 2040–2090 [ 17 ] [ 18 ]
Samarium-Kobalt-Magnet (2 Sm :17 Fe :3 N ; 10 K )  <40–2800 [ 19 ] [ 20 ]
Samarium-Kobalt-Magnet3200 [ 21 ]

Die Koerzitivfeldstärke eines magnetischen Materials wird üblicherweise durch Messung der magnetischen Hystereseschleife, auch Magnetisierungskurve genannt , bestimmt (siehe Abbildung oben). Zur Datenerfassung wird typischerweise ein Vibrationsmagnetometer oder ein Magnetometer mit alternierendem Gradienten verwendet . Die Koerzitivfeldstärke entspricht dem angelegten Feld, bei dem die Datenlinie den Nulldurchgang schneidet. Ist in der Probe ein Antiferromagnet vorhanden, können die bei ansteigenden und abfallenden Feldern gemessenen Koerzitivfeldstärken aufgrund des Austauschbias- Effekts unterschiedlich sein.

Die Koerzitivfeldstärke eines Materials hängt von der Zeitskala ab, über die eine Magnetisierungskurve gemessen wird. Die Magnetisierung eines Materials, gemessen bei einem angelegten umgekehrten Feld, das nominell kleiner als die Koerzitivfeldstärke ist, kann über einen langen Zeitraum langsam auf null abklingen . Diese Abklingung tritt auf, wenn die Umkehr der Magnetisierung durch Domänenwandbewegung thermisch aktiviert ist und von der magnetischen Viskosität dominiert wird . [ 22 ] Der steigende Wert der Koerzitivfeldstärke bei hohen Frequenzen stellt ein ernsthaftes Hindernis für die Erhöhung der Datenraten in der magnetischen Hochbandbreitenaufzeichnung dar , zumal eine höhere Speicherdichte typischerweise eine höhere Koerzitivfeldstärke im Speichermedium erfordert.

Theorie

Im Koerzitivfeld ist die Vektorkomponente der Magnetisierung eines Ferromagneten entlang der angelegten Feldrichtung null. Es gibt zwei Hauptmechanismen der Magnetisierungsumkehr : die Rotation einzelner Domänen und die Domänenwandbewegung . Bei der Magnetisierungsumkehr durch Rotation ist die Magnetisierungskomponente entlang des angelegten Feldes null, da der Vektor senkrecht zum Feld verläuft. Bei der Magnetisierungsumkehr durch Domänenwandbewegung ist die resultierende Magnetisierung in jeder Vektorrichtung gering, da sich die Momente aller einzelnen Domänen zu null addieren. Magnetisierungskurven, die von Rotation und magnetokristalliner Anisotropie dominiert werden , finden sich in relativ perfekten magnetischen Materialien, die in der Grundlagenforschung eingesetzt werden. [ 23 ] Die Domänenwandbewegung ist in realen technischen Materialien ein wichtigerer Umkehrmechanismus, da Defekte wie Korngrenzen und Verunreinigungen als Keimbildungsstellen für Domänen mit umgekehrter Magnetisierung dienen . Die Rolle der Domänenwände bei der Bestimmung der Koerzitivfeldstärke ist komplex, da Defekte Domänenwände nicht nur bilden , sondern auch fixieren können. Die Dynamik von Domänenwänden in Ferromagneten ähnelt der von Korngrenzen und Plastizität in der Metallurgie , da sowohl Domänenwände als auch Korngrenzen planare Defekte sind.

Bedeutung

Wie bei jedem Hystereseprozess entspricht die Fläche unter der Magnetisierungskurve während eines Zyklus der Arbeit , die vom externen Feld beim Umkehren der Magnetisierung am Material verrichtet und als Wärme abgeführt wird. Zu den gängigen dissipativen Prozessen in magnetischen Materialien zählen Magnetostriktion und Domänenwandbewegung. Die Koerzitivfeldstärke ist ein Maß für den Grad der magnetischen Hysterese und charakterisiert somit die Verluste weichmagnetischer Materialien für ihre üblichen Anwendungen.

Sättigungsremanenz und Koerzitivfeldstärke sind wichtige Kenngrößen für Hartmagnete, obwohl auch das maximale Energieprodukt häufig angegeben wird. In den 1980er Jahren wurden Seltenerdmagnete mit hohen Energieprodukten, aber unerwünscht niedrigen Curie-Temperaturen entwickelt . Seit den 1990er Jahren wurden neue Hartmagnete mit Austauschfeder und hoher Koerzitivfeldstärke entwickelt. [ 24 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ a b Giorgio Bertotti (21. Mai 1998). Hysterese im Magnetismus: Für Physiker, Materialwissenschaftler und Ingenieure . Elsevier Science. ISBN 978-0-08-053437-4Die
  2. ^ Tumanski, S. (2011). Handbuch magnetischer Messungen . Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 9781439829523Die
  3. ^ MA Akhter-DJ Mapps-YQ Ma Tan-Amanda Petford-Long-R. Doole; Mapps; Ma Tan; Petford-Long; Doole (1997). „Dicken- und Korngrößenabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke in Permalloy-Dünnschichten“. Journal of Applied Physics . 81 (8): 4122. Bibcode : 1997JAP....81.4122A . doi : 10.1063/1.365100 .
  4. ^ Calvert, JB (6. Dezember 2003) [13. Dezember 2002]. „Iron“ . mysite.du.edu . Archiviert vom Original am 15. September 2007. Abgerufen am 4. November 2023 .
  5. ^ a b c „Magnetische Eigenschaften von Festkörpern“ . Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Abgerufen am 22. November 2014 .
  6. ^ "timeout" . Cartech.ides.com . Abgerufen am 22. November 2014 .
  7. ^ Thompson, Silvanus Phillips (1896). Dynamoelektrische Maschinen . Abgerufen am 22. November 2014 .
  8. ^ MS Miller-FE Stageberg-YM Chow-K. Rook-LA Heuer; Stageberg; Chow; Rook; Heuer (1994). „Einfluss der HF-Magnetron-Sputterbedingungen auf die magnetischen, kristallinen und elektrischen Eigenschaften dünner Nickelschichten“. Journal of Applied Physics . 75 (10): 5779. Bibcode : 1994JAP....75.5779M . doi : 10.1063/1.355560 .
  9. ^ Zhenghong Qian; Geng Wang; Sivertsen, JM; Judy, JH (1997). „NiZn - Ferrit-Dünnschichten, hergestellt durch Facing Target Sputtering“. IEEE Transactions on Magnetics . 33 (5): 3748–3750 . Bibcode : 1997ITM....33.3748Q . doi : 10.1109/20.619559 .
  10. ^ Orloff, Jon (19.12.2017). Handbuch der Optik geladener Teilchen, Zweite Auflage . CRC Press. ISBN 9781420045550Abgerufen am 22. November 2014 .
  11. ^ Luo, Hongmei; Wang, Donghai; He, Jibao; Lu, Yunfeng (2005). „Magnetische Kobalt-Nanodraht-Dünnschichten“. The Journal of Physical Chemistry B. 109 ( 5): 1919–22 . doi : 10.1021/jp045554t . PMID 16851175 . 
  12. ^ „Gegossene ALNICO-Dauermagnete“ (PDF) . Arnold Magnetic Technologies . Abgerufen am 4. November 2023 .
  13. Yang , M. M.; Lambert, S. E.; Howard, J. K.; Hwang, C. (1991). „Laminierte CoPtCr / Cr-Filme für rauscharme Längsaufzeichnung“. IEEE Transactions on Magnetics . 27 (6): 5052–5054 . Bibcode : 1991ITM....27.5052Y . doi : 10.1109/20.278737 .
  14. ^ CD Fuerst-EG Brewer; Brewer (1993). „Hochremanente, schnell erstarrte Nd-Fe-B-Magnete: Die-upset-Magnete (eingeladener Vortrag)“. Journal of Applied Physics . 73 (10): 5751. Bibcode : 1993JAP....73.5751F . doi : 10.1063/1.353563 .
  15. ^ „WONDERMAGNET.COM – NdFeB-Magnete, Magnetdraht, Bücher, Kurioses aus der Wissenschaft, Nützliches“ . Wondermagnet.com. Archiviert vom Original am 11. Februar 2015. Abgerufen am 22. November 2014 .
  16. ^ Chen & Nikles 2002
  17. ^ Bai, G.; Gao, RW; Sun, Y.; Han, GB; Wang, B. (Januar 2007). „Untersuchung von gesinterten NdFeB-Magneten mit hoher Koerzitivfeldstärke“. Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 308 (1): 20–23 . Bibcode : 2007JMMM..308...20B . doi : 10.1016/j.jmmm.2006.04.029 .
  18. Jiang , H.; Evans, J.; O'Shea, MJ; Du, Jianhua (2001). „Hartmagnetische Eigenschaften schnell getemperter NdFeB-Dünnschichten auf Nb- und V-Pufferschichten“. Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 224 (3): 233–240 . Bibcode : 2001JMMM..224..233J . doi : 10.1016/S0304-8853(01)00017-8 .
  19. ^ Nakamura, H.; Kurihara, K.; Tatsuki, T.; Sugimoto, S.; Okada, M.; Homma, M. (Oktober 1992). „Phasenumwandlungen und magnetische Eigenschaften von in Wasserstoff wärmebehandelten Sm₂Fe₁₇Nₓ-Legierungen“. IEEE Translational Journal on Magnetics in Japan . 7 (10): 798–804 . doi : 10.1109/TJMJ.1992.4565502 .
  20. ^ Rani, R.; Hegde, H.; Navarathna, A.; Cadieu, FJ (15. Mai 1993). „Hochkoerzitive Sm₂Fe₁₇Nₓ-Phasen und verwandte Phasen in gesputterten Filmproben“. Journal of Applied Physics . 73 (10): 6023–6025 . Bibcode : 1993JAP....73.6023R . doi : 10.1063/1.353457 . INIST 4841321 . 
  21. ^ de Campos, MF; Landgraf, FJG; Saito, NH; Romero, SA; Neiva, AC; Missell, FP; de Morais, E.; Gama, S.; Obrucheva, EV; Jalnin, BV (01.07.1998). „Chemische Zusammensetzung und Koerzitivfeldstärke von SmCo5-Magneten“ . Zeitschrift für Angewandte Physik . 84 (1): 368–373 . Bibcode : 1998JAP....84..368D . doi : 10.1063/1.368075 . ISSN 0021-8979 . 
  22. ^ Gaunt 1986
  23. ^ Genish et al. 2004
  24. ^ Kneller & Hawig 1991