Coercitief veld

Een gemagnetiseerd ferromagnetisch materiaal kan op verschillende manieren worden gedemagnetiseerd. Bijvoorbeeld door sterke slagen op het materiaal of door hitte. Demagnetisatie vindt echter ook plaats in een extern tegengesteld magnetisch veld. De tegenveldsterkte, die nodig is voor demagnetisatie, wordt de coërcitieve veldsterkte genoemd.

Experimentele toetsing van het coërcitieve veld

Om deze bewering experimenteel te toetsen, moet men een ferromagnetisch materiaal eerst magnetiseren. Hiervoor kan men een ijzerhoudend materiaal, bijvoorbeeld een schroef, tussen de noordpool en de zuidpool van twee permanente magneten houden, waarna deze dan voorzichtig in allebei de richtingen van de schroef worden weggetrokken. De schroef wordt hierdoor gemagnetiseerd en werkt vervolgens bijvoorbeeld op spelden magnetisch aantrekkend.

De magnetisatie van de schroef gaat verloren, wanneer deze sterk wordt verwarmd of hevig wordt geschud (bijv. door harde slagen met een hamer). Een andere mogelijkheid om de schroef te demagnetiseren is door deze bloot te stellen aan een tegengesteld gepolariseerd magnetisch veld. Dit moet de sterkte hebben van de zogenaamde coërcitieve veldsterkte. Wanneer de schroef is gedemagnetiseerd, doordat de kop van de schroef in contact stond met de noordpool van een permanente magneet, de punt daarentegen contact met de zuidpool had, dan kan de schroef worden gedemagnetiseerd, door hem bloot te stellen aan een zwakker en in tegengestelde richting gemagnetiseerd magnetisch veld. Hierbij moet de kop van de schroef contact hebben met de zuidpool van een permanente magneet en de punt van de schroef met de noordpool, dus precies omgekeerd aan de magnetisatie. Als men voor de demagnetisatie magneten zou gebruiken, die zo sterk zijn als de magneten, die voor de magnetisatie werden gebruikt, dan zou de schroef opnieuw worden gemagnetiseerd, maar nu met omgekeerde polen.

Hoe meet men de coërcitiviteit?

De coërcitiviteit (Hc) is een maat voor de weerstand van een magnetisch materiaal tegen demagnetisatie. Deze wordt bepaald door middel van een hysteresemeting (zie afbeelding 1). Het materiaal wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld waarvan de sterkte geleidelijk wordt verhoogd en vervolgens weer tot nul wordt teruggebracht. De coërcitiviteit komt overeen met de magnetische veldsterkte waarbij de magnetisatie van het materiaal tot nul daalt. Deze waarde is op de hysteresecurve afleesbaar als het snijpunt van de curve met de horizontale as, waarbij de magnetisatie nul is (in afbeelding 1 is dit snijpunt met Hc gemarkeerd).

Een experimentele opstelling voor de meting van de hysteresiscurve omvat typisch een monster van het te onderzoeken materiaal, een spoel voor het opwekken van het magnetische veld, een magnetometer voor het meten van de magnetisatie van het monster en een besturingssysteem dat het externe magnetische veld varieert. Het monster wordt in de spoel geplaatst en het besturingssysteem verhoogt stapsgewijs de stroomsterkte door de spoel, verandert de richting van de stroom en vermindert deze weer om een cyclisch magnetisch veld te genereren. De magnetisatie van het monster wordt continu gemeten en in relatie gebracht tot het aangelegde magnetische veld om de hysteresiscurve te maken (figuur 2).

Figuur 2 toont een experimentele opstelling voor de meting van de coërcitiviteitssterkte. Eerst wordt een spanning U aangelegd en daardoor wordt de stroom I door de spoel geleidelijk verhoogd. Dit leidt tot een magnetische fluxdichtheid B, die het ferromagnetische materiaal in de spoel magnetiseert en een magnetisch veld H veroorzaakt, dat met een Hall-sonde kan worden gemeten. Wanneer de spanning U naar nul wordt gedraaid, vloeit er geen stroom meer door de spoel en is de externe fluxdichtheid B nul. De resterende gemeten veldsterkte Hc op de Hall-sonde is dan de coërcitieve veldsterkte (zie figuur 1).

Verschil tussen de coërcitieve veldsterktes bH_c en jH_c

Om de magnetische fluxdichtheid binnenin het materiaal volledig te laten verdwijnen, moet men een extern magnetisch veld met de coërcitieve veldsterkte H_c aanleggen.

Er wordt daarbij onderscheden tussen twee verschillende coërcitieve veldsterktes:

• De coërcitieve veldsterkte bH_c is de coërcitieve veldsterkte van de fluxdichtheid.
• De coërcitieve veldsterkte jH_c, die wordt aangeduid als de coërcitieve veldsterkte van de magnetisatie (of de magnetische polarisatie).

Dit wordt hier onderstaand nader toegelicht:

Wanneer een gemagnetiseerd materiaal (kortweg: magneet) wordt blootgesteld aan een veldsterkte van bH_c, verdwijnt de magnetische fluxdichtheid in de magneet. Binnenin de magneet is de magnetische fluxdichtheid dan nul. Echter, dit is alleen omdat de resterende magnetisatie juist wordt gecompenseerd door het externe tegenveld. Beide velden heffen elkaar binnenin op. Het materiaal zelf is dus nog steeds magnetisch. Dit merkt men meteen wanneer het externe tegenveld weer wordt uitgeschakeld. Het materiaal blijft dan nog steeds magnetische krachten uitoefenen.

Wanneer de externe veldsterkte wordt verhoogd tot jH_c, dus wanneer het tegenveld in sterkte toeneemt, wordt de magneet permanent gedemagnetiseerd.

In bovenstaande afbeelding 1 is als H_c de veldsterkte bH_c weergegeven. De magnetische fluxdichtheid B binnenin de magneet is alleen nul zolang bH_c wordt geappliceerd. De permanent demagnetiserende veldsterkte jH_c is niet weergegeven en is qua grootte groter dan bH_c. Deze coërcitieve veldsterkte van de magnetisatie jH_c compenseert niet alleen het magnetisch veld van de uitgelijnde atomaire spins in het materiaal, maar leidt ook tot een opheffing van de stabilisatie van de spinoriëntatie door de uitwisselingsinteractie. De magnetische veldsterkte binnenin de magneet is bij tegenvelden groter dan bH_c niet nul, maar heeft een bepaalde grootte. Deze is echter tegengesteld aan de uitgelijnde atomaire spins en probeert deze om te keren. Bij jH_c kan het magnetisch veld de uitwisselingsinteractie overwinnen en dit leidt daadwerkelijk tot het omkeren van de atomaire spins. Het materiaal is daarmee gedemagnetiseerd. Bij een verdere stijging van de magnetische veldsterkte vindt er een nieuwe uitlijning van de atomaire spins plaats in omgekeerde richting. Er kan een nieuwe magnetisatie worden vastgesteld, echter met omgekeerde magnetische polarisatie, dus met omgekeerde polen in vergelijking met de oorspronkelijke poling van de magneet.