Magnetisierung eines ferromagnetischen Stoffes
Aufgabe
Mit einer Hall-Sonde ist die magnetische Flussdichte \(B_m\) zu messen und als Funktion des Spulenstromes darzustellen.
Abb. 1: Magnetisierungskurve eines ferromagnetischen Stoffes.
Grundlagen
Das magnetische Verhalten von Materie im Magnetfeld lässt sich durch die Permeabilität charakterisieren:
Für ferromagnetische Stoffe ist \(\mu \gg 1\) und zeigt außerdem eine von der magnetisierenden Flussdichte \(B_0\) typische Abhängigkeit. Folglich gilt das auch für \(B_m = \mu B_0\). \(B_m = \mu B_0\) kann man bestimmen, wenn man die ferromagnetische Probe als Spulenkern magnetisiert und \(B_m\) in Abhängigkeit vom Spulenstrom I (\(B_0\)) ermittelt. Wird eine ferromagnetische Probe, die zunächst selbst kein resultierendes Magnetfeld hat, magnetisiert, so steigt die magnetische Flußdichte \(B_m\) im Material mit zunehmendem Spulenstrom I gemäß der mit 1 bezeichneten Neukurve (Abb. 1) an, weil sich immer mehr WEIßsche Bereiche parallel zum Feld ausrichten, bis schließlich Sättigung eintritt.
Wird nun die einwirkende Flussdichte durch Verminderung des Spulenstromes reduziert, so befolgt \(B_m\) den mit 2 bezeichneten Verlauf. Bei \(I = 0\) (\(B_0 = 0\)) behält die Flussdichte einen endlichen, als Remanenz bezeichneten Wert.
Die Remanenz verschwindet, wenn der Spulenstrom in entgegengesetzter Richtung den Wert \(I_c\) erreicht. Die dazugehörige Flussdichte \(B_c\) heißt Koerzitivflussdichte. Wird dieser umgepolte Spulenstrom weiter erhöht, tritt wieder eine Sättigung ein.
\(B_m\) befolgt dann den Verlauf 3, wenn man die Stromstärke vermindert und nach Umpolung erneut erhöht. Eine solche Abhängigkeit von vorangegangenen Zuständen nennt man Hysteresis und die Kurve (Abb. 1) entsprechend Hysteresekurve. Ihre Form ist von entscheidender Bedeutung für die Eignung des ferromagnetischen Stoffes z. B. als Dauermagnetwerkstoff oder als Transformatorkernmaterial.
Abb. 2: Schematische Darstellung des Magneten und der Hallsonde. Die Zuleitungen zur Sonde sind wegen der Übersichtlichkeit weggelassen.
Versuchsaufbau
Zur Messung der magnetischen Flussdichte \(B_m\) im Spulenkern dient eine Hallsonde, die in einem schmalen Luftspalt des Elektromagneten gemäß Abb. 2 angeordnet ist.
Durchführung
Unter Anleitung des Assistenten ist zunächst der Eisenkern des Magneten zu entmagnetisieren und falls notwendig eine Nullkompensation der Hallsonde vorzunehmen. Die Aufstellung der Geräte erfolgt gemäß dem am Versuchsplatz liegenden Blockschaltbild.
Bei einem Hallsondenstrom von \(6{,}8\,\mathrm{mA}\) wird der Spulenstrom von \(0 \dots 4{,}5\,\mathrm{A}\) variiert, wobei darauf zu achten ist, dass man die Magnetisierungskurve - wie angegeben - zyklisch in einer Richtung durchfährt.
Die Hallspannung ist als Funktion der Spulenstromstärke gemäß der am Versuchsplatz angegebenen Koordinateneinteilung auf DIN-A3-Millimeterpapier darzustellen. Um für die Konstruktion der Kurve geeigneten Spulenstromwerte zu finden, überträgt man die Messwerte unmittelbar auf das Koordinatenpapier.
Angabe
Bei einem Sondensteuerstrom von \(6{,}8\,\mathrm{mA}\) beträgt die Empfindlichkeit der Hall-Sonde: \(3{,}5\,\frac{\mathrm{mV}}{\mathrm{T}}\)