Alles rund um Magnete und Magnetismus von MagnetMax dem Magnetspezialisten

Historisches zu Magneten und Magnetismus

Schon lange vor Christi Geburt  kannten die Chinesen die anziehende Wirkung von magnetischem Gestein.
Der Ursprung des Namens "Magnet" ist etwas umstritten. So soll der Magnet aufgrund der Landschaft bzw. Stadt Magnesia in Griechenland, wo man ein Erz (Magnetit) gefunden hat, zu seinem Namen gekommen sein. Eine andere Erklärung besagt, daß der Hirte Magnes mit der Spitze seines Hirtenstabes am magnetischen Gestein hängen geblieben wäre, und dies dem Magnet seinen Namen gegeben habe.

Von der Entdeckung der magnetischen Wirkung bis zur ersten Anwendung dauerte es dann eine längere Zeit.

Der Kompass, Nord- und Südpol

Urkundlich erwähnt waren es die Chinesen um 1100, die die magnetische Wirkung als erste für einen Kompass nutzten (Nasser Kompass).
Erste systematische Untersuchungen führte Pierre de Maricourt (Petrus Peregrinus) im 13. Jhd. durch. Er erwähnt in seinen Schriften, dass sich gleiche magnetische Pole abstoßen und ungleiche Pole anziehen. Ausserdem kam er zu der Erkenntnis, dass beim Zerbrechen eines Magneten, zwei neue Magneten entstehen.
Erst deutlich später (um 1600)  erkannte Gilbert, dass sich die Erde wie ein großer Magnet mit Polen nahe des geografischen Nord- und des geografischen Südpoles verhält. Aufgrund der Tatsache, dass der Nordpol des Magneten etwa zum geografischen Südpol und der Südpol des Magneten ungefähr zum geografischen Nordpol weist, kam es zu der etwas unglücklichen Festlegung, dass der magnetische Nordpol in der Nähe des geografischen Südpols und der magnetische Südpol in der Nähe des geografischen Nordpoles liegt. Damit waren Norden und Süden definiert.
Zusammengefaßt: Der Nordpol der Kompassnadel zeigt (ungefähr) zum geografischen Nordpol, der Südpol der Kompassnadel ungefähr zum geografischen Südpol. Die Abweichung, welche ortsabhängig ist, heißt Mißweisung oder magnetische Deklination. Sie kann aus Tabellen entnommen werden. Da sich eine Kompassnadel genaugenommen entlang der magnetischen Feldlinien ausrichtet, welche nicht parallel zur Erdoberfläche verlaufen, weist eine frei bewegliche Kompassnadel noch einen Winkel zur Eroberfläche auf. Diese Winkelabweichung wird als magnetische Inklination bezeichnet.

Beschreibung des Magnetismus

Lange bekannt, auch schon angewendet z.B. beim Kompass, war aber die Ursache des Magnetismus lange Zeit völlig unverstanden und der Magnetismus geheimnisumwogen als Zauberkraft dargestellt.

Eine umfassende mathematische Beschreibung und insbesondere die Verknüpfung von Elektrizität und Magnetismus zum Elektromagnetismus gelang James Clark Maxwell 1861 bis 1864 mit einem System aus vier partiellen Differentialgleichungen, die als Maxwell-Gleichungen bekannt sind.
Es gelang Maxwell mit diesen Gleichungen die Wirkung von elektrischen und magnetischen Feldern auf Ladungen, sowie die Wechselwirkungen untereinander zu beschreiben.
Auf die Mathematik der Gleichungen soll hier nicht näher eingegangen werden.
Die wesentlichen Aussagen der Maxwell-Gleichungen sind folgende:

1. Gaußsches Gesetz für elektrische Felder: elektrische Ladungen sind die Quellen des elektrischen Feldes
2. Gaußsches Gesetz für magnetische Felder: das magnetische Feld ist quellenfrei; es gibt keine magnetischen Monopole
3. Induktionsgesetz: eine Änderung des magnetischen Feldes führt zu einem elektrischen Feld
4. Maxwell-Amperesches Gesetz: eine Änderung des elektrischen Feldes bewirkt ein magnetisches Feld

Zusammen mit der Lorentz-Kraft (benannt nach dem Physiker Antoon Lorentz), welche die Kraft auf bewegte Ladungen in elektromagnetischen Feldern beschreibt, können damit alle Phänomene der Elektrodynamik erklärt werden.
Wir wissen nun also, wie Magnetfelder erzeugt werden können, wie Magnetfelder auf Materie und Ladungen wirken, wir wissen aber noch nicht, was die eigentliche Ursache für den Magnetismus in einem Dauermagneten ist.

Arten des Magnetismus und Ursache

Beginnen wir mit dem sogenannten Ferromagnetismus, dem ungangsprachlich "normalen Magnetismus" an den jeder zuerst denkt, wenn man von Magnetismus spricht.

Ferromagnetismus

Ferromagnetische Stoffe (Eisen, Kobalt, Nickel bei Raumtemperatur, bzw. spezielle Legierungen) sind Stoffe, die in einem externen Magnetfeld eine spontane Magnetisierung zeigen und dadurch vom Magnetfeld angezogen werden. Hierbei werden im ferromagnetischen Material schon vorhandene gelichgerichtetete Elementarmagnete durch das externe Magnetfeld ausgerichtet. Bei Abschalten des externen Magnetfeldes oder Entfernen des ferromagnetischen Materials aus dem Magnetfeld, verschwindet die Ausrichtung der Elementarmagnete bis auf eine Restmagnetisierung (Remanenz). Bei magnetisch weichen Materialien ist diese Remanenz sehr klein. Bei magnetisch harten Materialien kann eine beträchtliche Remanenz  zurückbleiben (siehe auch Hysterese von Magneten).
Die eigentliche Ursache des Ferromagnetismus ist genaugenoimmen klassisch nicht zu beschreiben, vielmehr benötigt man hierzu die Quantenmechanik, genauer die sogenannte Austauschwechselwirkung, welche für die  Parallelausrichtung der Elektronenspins in ferromagnetischen Materialien verantwortlich ist. Da sich jedoch Elektronen mit gleichem Spin im Ortszustand unterscheiden müssen (Pauli-Prinzip), geht eine Gleichrichtung der Spins mit einer Erhöhung der kinetischen Energie einher. Nur wenn die Absenkung der potentiellen Energie durch die Austauschwechselwirkung die Erhöhung der kinetischen Energie übertrifft, kann es also zur Gleichrichtung der Elektronenspins als Träger der magnetischen Momente und damit zur ferromagnetischen Eigenschaft des Materials kommen. Dies ist der Grund, warum die überwiegende Anzahl der bekannten chemischen Elemente keinen Ferromagnetismus aufweist. Als reine chemische Elemente weisen, wie schon erwähnt, bei Raumtemperatur nur Eisen, Kobalt und Nickel diese ferromagnetische Eigenschaft auf.
Im Gegensatz dazu weisen alle Elemente und Stoffe sogenannte diamagnetische Eigenschaften auf.

Paramagnetismus

Bei paramagnetischen Stoffen werden durch ein externes Magnetfeld  die ohne Ordnung vorhandenen magnetischen Momente der Moleküle teilweise ausgerichtet. Der Grad der Ausrichtung und damit das induzierte Magnetfeld ist proportional zum angelegten Magnetfeld (Magnetische Permeabilität >1), allerdings verschwindet dieses Feld unmittelbar nach Abschalten des externen Magnetfeldes.
Paramagnetische Stoffe werden wie ferromagnetische Stoffe in den Bereich höherer Feldstärke gezogen also in das Magnetfeld hinein.
Der Paramagnetismus ist jedoch deutlich schwächer als der Ferromagnetismus.
Paramagnetismus gibt es nur bei Elementen/Molekülen mit ungepaarten Elektronen und einem magnetischen Moment.
Die ursächliche physikalische Erklärung liefern wieder quantenmechanische Vorgänge.

Diamagnetismus

Diamagnetismus tritt bei allen Elementen und Stoffen auf. Da der Diamagnetismus jedoch um Größenordnungen schwächer ist als Ferro- und Paramagnetismus ist er messbar nachweisbar nur bei den Stoffen, die keinen Ferro-  und Paramagnetismus aufweisen.
Diamagnetische Stoffe werden aus einem Magnetfeld herausgedrängt in Richtung geringerer Feldstärke. Diamagnete sind durch eine magnetische Permeabilität <1 (negative magnetische Suszeptibilität). Dies bedeutet, dass der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Induzierten und dem äußeren Feld <1 ist.
Zum Vergleich: bei paramagnetischen Substanzen ist er >1, bei Ferromagneten ist der Zusammenhang nicht linear.
Wie der Ferromagnetismus kann der Diamagnetismus nur durch quantenmechanische Effekte erklärt werden.

Dauermagnete

Durch die Magnetisierung (siehe Hysterese) in einem externen Magnetfeld werden die Elementarmagnete eines ferromagnetischen Materials ausgerichtet. Durch die Verwendung von hartmagnetischen Materialien erreicht man, dass die Stoffe auch  nach Abschalten des Magnetfeldes und ohne elektrischen Strom bei Temperaturen unterhalb der maximalen Einsatztemperatur ihre Magnetisierung beibehalten. Das Ergebnis ist ein Dauermagnet.
Dauermagnete oder Permanentmagnete bestehen  z.B. aus Eisen, Cobalt und Nickel, bzw. Legierungen daraus.

Hysterese von Magneten

Beaufschlagt man ein (noch nicht magnetisiertes) ferromagnetisches Material mit einem externen Magnetfeld und misst die resultierende Magnetisierung in Abhängigkeit des äusseren Magnetfeldes, so stellt man keinen linearen Zusammenhang fest, vielmehr geht die Magnetisierung ab einem bestimmten äußeren Magnetfeld in die Sättigung. Fährt man dann das äußere Magnetfeld wieder auf 0, so bleibt eine gewisse Restmagnetisierung, die sogenannte Remanenz erhalten. Man hat das ferromagnetische Material magnetisiert. Um die Restmagnetisierung auf Null zu bekommen, benötigt man ein dem ursprünglich von außen angelegten Magnetfeld entgegengesetztes Feld. Die Feldstärke, bei der die Magnetisierung im Material auf Null zurückgeht wird Koerzitivfeldstärke genannt. Die Hysteresekurve beschreibt  den Verlauf der Magnetisierung im Material in Abhängigkeit des äußeren Magnetfeldes.
Charakteristische Punkte der Hysteresekurve sind die Sättigungsmagnetisierung, die Remanenzmagnetisierung und die Koerzitivfeldstärke.
Je höher die Remanenz und die  Koerzitivfeldstärke, desto stärker ist der Magnet.

Temperaturbeständigkeit von Magneten

Eine wichtige Größe in Bezug auf die Temperaturabhängigkeit des Magnetismus von Dauermagneten ist die sogenannte Curie-Temperatur (benannt nach Pierre Curie). Die Curie-Temperatur ist die Temperatur, bei der ein Ferromagnet vom ferromagnetischen in den paramagentischen Zustand übergeht. Dieser Phasenübergang ist umkehrbar. Oberhalb der Curie-Temperatur tritt kein Ferromagnetismus mehr auf, der Stoff ist dann paramagnetisch. Senkt man die Temperatur wieder unter die Curie-Temperatur, so wird der Stoff wieder ferromagnetisch, eine eventuell ursprünglich vorhandene Magnetisierung ist jedoch dann nicht mehr vorhanden. Das Material muß also neu magnetisiert werden,
Somit ist klar, dass Materialien nur unterhalb der Curie-Temperatur als Magnetwerkstoffe eingesetzt werden können.
Für die Praxis ist es wichtig zu wissen, dass ein Dauermagnet schon weit unterhalb der Curie-Temperatur seine magnetische Polarisierung verliert und dies irreversibel ist.
Diese (max) Temperatur ist unterschiedlich bei verschiedenen ferromagnetischen Materialien und ist eine anzugebene Eigenschaft des jeweiligen Magneten.

Herstellung von Magneten

Beschrieben wird hier die Herstellung von Ferromagneten.
Starke Permanentmagnete werden durch Pressverfahren hergestellt. Hierzu wird das  vorbereitete feingemahlene Grundmaterial (z.B. eine Legierung aus seltenen Erden) in eine Form gepresst und anschließend bei hohen Temperaturen gesintert. Nach dem Sinterprozeß wird durch ein starkes externes Magnetfeld die Magnetisierung erreicht und die Magnete durch Schneiden, Sägen und Bohren in die gewünschte Endgeometrie gebracht.
Zum Schluß kann der Magnet, egal ob Ferrit, AlNiCo oder Neodymmagnet mit einer der Anwendung angepaßten Beschichtung versehen werden.
In der Regel ist diese Beschichtung metallisch z.B. Nickel, Gold, Kupfer, sie kann aber auch organisch sein.
Neodymmagnete werden meistens beschichtet, um sie beständiger gegen Umwelteinflüsse zu machen.
Der fertiggestellte Magnet durchläuft dann noch die Qualitätskontrolle.

Neodymmagnete - die stärksten Magnete der Welt

Lange Zeit waren Ferritmagnete das Maß der Dinge und somit die stärksten Dauermagnete die erhältlich waren.
Erst mit der Entwicklung der Seltenerdenmagneten durch General Motors und Sumitomo 1982 wurde quasi ein neues Zeitalter für Magnete eingeleitet. Sogenannte Neodym-Magnete aus Neodym, Eisen, Bor (Nd2Fe14B) haben eine Kristallstruktur mit großer Anisotropie und weisen extrem hohe Koerzitivfeldstärken auf. Mit einer maximalen magnetischen Energiedichte von ca. 500 kJ/m3 stellen sie Ferritmagnete (typischerweise um die 30 kJ/m3) in den Schatten. Die Haftkraft eines Neodymmagneten ist ca. 10 mal so groß wie die eines Ferritmagneten gleichen Volumens. Oder anders ausgedrückt, man benötigt einen wesentlich größeren Ferritmagneten, um die gleiche Haftkraft wie mit einem Neodymmagneten zu erzeugen.
Somit stellen Neodym-Magnete, auch Supermagnete genannt, die heute stärksten erhältlichen Magnete der Welt dar.
Ein Neodymmagnet mit ein paar Zentimeter Kantenlänge kann eine Haftkraft von mehreren 100 kg erreichen.
Neodymmagnete sind jedoch im Vergleich zu Ferritmagneten teurer und weniger witterungsbeständig. Um die Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen zu erhöhen sind Neodymmagnete in der Regel mit einer Beschichtung (z.B. Nickel, Gold oder Kupfer) versehen.
Ebenfalls ist die maximale Einsatztemperatur von Neodymmagneten zu beachten, welche deutlich niedriger liegt, als die von Ferritmagneten.


Offene Fragen
natürlich sind hiermit längst nicht alle Fragen zum Thema Magnete, Magnetismus, etc. abgedeckt. Hiermit kann man ganze Bücher füllen, insbesondere wenn man auch noch auf die mathematisch-physikalische exakte Beschreibung aller Magnet-Phänomene Wert legt.
Sollten Sie aber weitergehende Fragen haben, die Sie auch nicht unter "Information" auf der MagnetMax Webseite beantwortet finden, können Sie sich selbstverständlich jederzeit an das Team vom Magnetshop Magnetmax wenden. Unsere Magnetexperten helfen Ihnen gerne weiter.

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