Magnetische verzadiging
Wat wordt er met magnetische verzadiging bedoeld?
Wanneer een ferromagnetisch lichaam wordt gemagnetiseerd, dan stijgen de magnetische krachten eerst evenredig aan de sterkte van het magnetisch veld. Op een gegeven moment wordt echter een verzadiging bereikt en de magnetische krachten stijgen nauwelijks nog. Dit effect wordt magnetische verzadiging genoemd en is de reden voor de beperkte sterkte van permanente magneten. Vanwege de magnetische verzadiging kunnen er geen magneten van willekeurige sterkte bestaan.Inhoudsopgave
Fysische verklaring
De verzadigingsmagnetisatie is de maximaal mogelijke magnetisatie van een materiaal. Dit feit wordt magnetische verzadiging genoemd. Als men probeert de magnetisatie verder te verhogen, gedraagt het materiaal zich bij een verdere verhoging van het externe magnetische veld als de lege ruimte (het vacuüm). Net als de magnetisatie zelf, kan ook de magnetische verzadiging vooral bij ferromagnetische stoffen worden waargenomen.Wanneer een ferromagneet in een extern magnetisch veld H wordt gebracht, stijgt de magnetische fluxdichtheid B zeer sterk. Dit komt doordat door het magnetische veld de elektronspins in de materie van de ferromagneet worden uitgelijnd en dat de magnetische momenten van deze spins, dus de elementaire magneten in het materiaal, parallel worden geordend. Dit proces wordt ook magnetische polarisatie genoemd. Daardoor wordt het externe veld versterkt, waardoor er een sterke stijging van de magnetische fluxdichtheid en het magnetische veld buiten de ferromagneet volgt.
Op een gegeven moment zijn echter alle aanwezige spins parallel uitgelijnd.
In dit geval is verdere versterking van het externe magnetische veld niet meer mogelijk, wanneer dit nog verder wordt verhoogd. De fluxdichtheid gedraagt zich dan bij een verdere vergroting van het externe magnetische veld als in het vacuüm.
Experiment voor de magnetische verzadiging
In het experiment kan magnetische verzadiging worden waargenomen. Hiervoor heeft men een spoel met een ijzeren kern, een regelbare spanningsbron en een meetapparaat voor de magnetische fluxdichtheid, bijv. een Hall-sonde nodig. In het experiment wordt dan de magnetische fluxdichtheid aan het oppervlak van de ijzeren kern in afhankelijkheid van de aangelegde stroom gemeten. Als men de stroom door de ijzeren spoel vergroot stijgt de magnetische fluxdichtheid eerst duidelijk. Bij een verdubbeling van de stroom verdubbelt bij benadering ook de fluxdichtheid. Vanaf een bepaald punt ontstaat echter een verzadigingseffect en de magnetische fluxdichtheid zal alleen nog heel langzaam stijgen. Dan is de magnetische verzadiging van het ijzermateriaal bereikt. Dit is bij ijzer al bij een fluxdichtheid van 1–2 tesla het geval.
De afbeelding toont het verloop van de magnetische fluxdichtheid B bij de magnetisering van een ferromagnetisch materiaal in een spoel.
Zonder stroom I (I =0), dus zonder spanning U (U=0), zijn de elektronspins (in rood getekend) alleen in Weiss-domeinen parallel uitgelijnd.
In totaal heffen ze de magnetisering op en is deze buiten nul (linker afbeelding).
Bij het aanleggen van een stroom I1
(verhoging van de spanning U tot de waarde U1) stijgt de magnetische fluxdichtheid B sterk (tot de waarde B1), omdat de verschillende Weiss-domeinen samensmelten en steeds meer atomaire spins zich parallel uitlijnen.
Als de stroom in de spoel I dan verder wordt verhoogd tot de waarde I2,
die veel groter kan zijn dan I1,
wordt waargenomen dat de magnetische fluxdichtheid en daarmee de magnetische krachten slechts zwak toenemen (tot de waarde B2,
die slechts iets groter is dan B1).
Alle spins zijn dan parallel uitgelijnd en verdere verhoging van de stroom brengt slechts een zwakke toename van de magnetische krachten.
Wat gebeurt er op het gebied van verzadigingsmagnetisatie?
In het gebied van verzadigingsmagnetisatie daalt de magnetische permeabiliteit μ van de ferromagneet sterk en nadert de waarde μ=1. Daarmee daalt ook de magnetische geleiding van de ferromagneet tot de waarde van het vacuüm.Men kan zich dit zo voorstellen dat door de uitlijning van de atomaire spins een verhoogde geleiding voor magnetische velden bestaat. Door een ferromagneet "passen" wezenlijk meer magnetische veldlijnen dan door het vacuüm. Echter, als het veld zo sterk wordt dat deze verhoogde geleiding maximaal benut is, "passen" er bij verdere vergroting van het magnetische veld door de ferromagneet niet meer veldlijnen dan door het vacuüm. Dit gebeurt precies wanneer de verzadigingsmagnetisatie is bereikt.
Wordt een ferromagnetisch materiaal blootgesteld aan verzadigingsmagnetisatie, dan is het maximale aantal atomaire spins parallel uitgelijnd. De magnetisatie neemt niet verder toe. In dit geval blijft de hoogst mogelijke magnetisatie aanwezig, wanneer het externe veld (zonder het om te polen) weer wordt uitgeschakeld. Deze overgebleven magnetisatie wordt remanentie" genoemd.
De afbeelding toont een hysteresiscurve van een magnetisch hard materiaal, zoals bijvoorbeeld in transformatoren wordt gebruikt.
Het punt BS
duidt de verzadigingsmagnetisatie aan.
Hier neemt de magnetische fluxdichtheid B bij een verdere verhoging van het externe magnetische veld H slechts zwak toe (de helling van de zwarte lijn heeft de waarde µ0,
aangezien µ=1).
Bij kleinere magnetische velden neemt de magnetisatie sterker toe met de factor µ (rode lijn).
Voor ijzer kan µ waarden van enkele duizenden aannemen.
Op het punt van de verzadigingsmagnetisatie is µ=1.
Het punt BR
duidt de remanentie aan, die overblijft wanneer het externe veld na een magnetische verzadiging weer wordt uitgeschakeld.
Gevolgen van verzadigingsmagnetisatie bij technische toepassingen
De verzadigingsmagnetisatie zorgt ervoor dat een magnetisch veld door een ferromagnetisch materiaal niet verder versterkt wordt.Dit leidt bij talrijke technische toepassingen tot nadelen. Transformatoren bijvoorbeeld zijn paren van tegenover elkaar staande spoelen met verschillend aantal windingen. De spoelen hebben een ijzeren kern, waardoor het in de spoel tot een zeer efficiënte omzetting van elektrische energie in magnetische energie van een sterk magnetisch veld komt. Dit magnetisch veld induceert op zijn beurt in de tegenoverliggende spoel een stroom met bepaalde, door de eigenschappen van deze spoel instelbare waardes voor spanning en stroom, echter met vergelijkbare totale prestaties.
Heeft de ijzeren kern een grote magnetische permeabiliteit μ, dan is deze methode voor de omzetting van elektrische spanning zeer efficiënt. Er gaat dan weinig prestatie verloren. De transformator kan bijvoorbeeld de stopcontactspanning van 220 V naar 12 V verlagen zonder dat er een groot verlies ontstaat, omdat de stroom in de primaire kring dienovereenkomstig laag is. In het gebied van de verzadigingsmagnetisatie daalt nu de efficiëntie van de omzetting van elektrische naar magnetische energie en daarmee het rendement van de transformator. Verzadigingsmagnetisatie is daarom ongewenst in transformatoren.
Luchtspleet verhindert voortijdige magnetische verzadiging
Door een luchtspleet, die in de ijzeren kern wordt gesneden, kan worden bereikt dat de toename van de magnetische fluxdichtheid langzamer verloopt en de magnetische verzadiging later optreedt. De luchtspleet heeft een aanzienlijk hogere magnetische weerstand dan de ijzeren kern. Daarom hindert hij de magnetisatie van het ferromagnetische materiaal. Over het geheel genomen stijgt de magnetisatie van de transformatorkern hierdoor langzamer dan zonder luchtspleet. Toch is de magnetisatie daarbij over een breed gebied wel evenredig aan het externe veld.Als zodanig heeft een luchtspleet in de techniek van de magnetische velden een echt technische betekenis.
Auteur:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.
Het auteursrecht op de complete inhoud van het compendium (teksten, foto's, afbeeldingen etc.) ligt bij de auteur Franz-Josef Schmitt. Het exclusieve gebruiksrecht van het werk ligt bij Webcraft GmbH (als exploitant van supermagnete.de). Zonder uitdrukkelijke toestemming van Webcraft GmbH mag de inhoud noch worden gekopieerd, noch op andere wijze worden gebruikt.
© 2008–2026 Webcraft GmbH
© 2008–2026 Webcraft GmbH
