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Magnetismus - Funktionsweise und Magnetarten

Anziehung wie von Geisterhand – Magnete machen sichtbar, was versteckt in den Elementen verborgen ist. Im Alltag sind Magnete praktisch und vielseitig einsetzbar. Sie kommen als Halter für Notizzettel zum Einsatz und sorgen auch in Fahrzeugen für Bewegung. Wie funktioniert Magnetismus? Dieser Frage geht der Artikel auf den Grund und stellt verschiedene Magnetarten vor.

Magnete: anziehende Objekte

Magnete ziehen andere Gegenstände an, wobei Voraussetzung ist, dass bestimmte Materialien in einem Gegenstand enthalten sind. Magnetisch sind beispielsweise Eisen, Nickel und Kobold. Die Kraft, die zwischen einem Magnet und den genannten Metallen wirkt, heißt Magnetismus.

Magnetisierungsstoffe bestehen aus zahlreichen Atom, in deren Kern die Elektronen sitzen. Die Bewegung erzeugt magnetische Felder – ein Magnet bildet sich. Ein großer Magnet ist im Prinzip so vorstellbar: Viele kleine Magneten richten sich in die gleiche Richtung aus und es entstehen zwei verschiedene Pole, der Nord- und der Südpol. Tatsächlich ist der größte Magnet unser Planet Erde mit Nordpol und Südpol.

Magnetismus: Ein Blick in die Vergangenheit

Das Phänomen des Magnetismus wurde Mitte des 19. Jahrhunderts näher untersucht. Michael Faraday machte eine ganze Reihe Grundlagenexperimente  und James Clerk Maxwell lieferte 1864 eine theoretische Beschreibung des Phänomens, die er in die Maxwellgleichung fasste. Seine Theorie war, dass Elektrizität und Magnetismus untrennbar miteinander verknüpft und beides unterschiedliche Ausprägungen des gleichen Effekts sind. Die Quantenmechanik, die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wissenschaftlich erkundet wurde, ermöglichte einen fundamentales Verständnis von Magnetismus. Ob ein Material magnetisch ist, wird von der atomaren Struktur und den Elementarteilchen bestimmt. Es ist möglich, Dinge zu magnetisieren, die eigentlich nicht magnetisch sind, nämlich indem die Atome elektromagnetisch aufgeladen werden.

Permanentmagnete und Nicht-Permanentmagnete

Es existieren zwei verschiedene Arten von Magneten. Die eine Art ist nicht permanent magnetisch, die andere ist permanent magnetisch. Man nennt sie auch Permanentmagnete. Magnetische Kraft ist enorm vielfältig verwendbar.

Elektromagnete

Nicht-permanente Elektromagneten werden beispielsweise in der Autoindustrie eingesetzt. Überall, wo ein elektrischer Motor arbeitet, kommen Magnete unterschiedlicher Form zum Einsatz – sei es zum Schließen des Kofferraums, zum Öffnen der Fenster oder zum Betätigen der Scheibenwischer. Auch der Anlasser arbeitet mit Magnetismus. Elektroautos funktionieren ebenfalls mit Magneten. Über die anziehenden und abstoßenden Wirkkräfte eines Magnets wird der Motor in eine Drehbewegung gebracht und das Auto beginnt zu rollen. Diese Magnete sind nicht permanent magnetisch.

Permanentmagnete

Ein Permanentmagnet weist beständig magnetische Kräfte auf. Dauermagneten sind in der Lage ferromagnetische Stoffe wie beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobold anzuziehen oder auch abzustoßen. Im Gegensatz zu Elektromagneten benötigen sie keinen Strom, um ein Magnetfeld aufzubauen. Ein Permanentmagnet besteht immer aus ferromagnetischen Stoffen, deren einzelne Atome parallel ausgerichtet wurden. Diese Ausrichtung geschieht beispielsweise dann, wenn ferromagnetisches Gestein erkaltet. Solche Steine haben die alten Griechen in der Gegend um Magnesia gefunden. Sie stellt im Übrigen die historische Wurzel des Begriffs Magnetismus dar.

Permanent Magnete künstlich herstellen

Permanentmagnete lassen sich künstlich produzieren, indem Legierungen durch äußere Magnetfelder stark magnetisiert werden. Dazu wird zum Beispiel Samarium-Kobalt benutzt. Wie stark ein Permanentmagnet magnetisiert wird, hängt von zwei Faktoren ab. Zum einen spielt das Material eine Rolle, zum anderen die Art und Weise, mit der die Magnetisierung vorgenommen wurde.

Ein hoher Magnetisierungsgrad ist dann erreicht, wenn die sogenannten atomaren Spins allesamt parallel ausgerichtet wurden. Auf Basis der oben genannten Maxwellgleichung ergibt sich, dass es nur Magnetfelder gibt, die einen Nord- und ein Südpol aufweisen. Die Wirkkraft der Permanentmagnete lässt sich durch die Ladungsbewegung der einzelnen Atome erklären. Die Elektronen bewegen sich enorm schnell, was Elektronenspin genannt wird. Daraus ergibt sich der magnetische Moment, die magnetische Kraft, die metallische Stoffe anzieht. Wie stark der Magnetismus eines Permanentmagneten ist, hängt von der Kraft des magnetischen Moments ab und, wie gesagt davon, wie vollständig die Elektronen parallel ausgerichtet werden. Ausgedrückt wird das durch das sogenannte Energieprodukt, was ein Gütezeichen für Magnete ist. Hat ein Magnet eine hohe Kraft, ist die Qualität bzw. die Güte besonders hoch. Sehr stark sind Neodym-Magnete, weniger stark sind Ferrit-Magnete und AINiCo-Magnet (Al=Aluminium, Ni=Nickel, Co=Kobalt)

Neodym-Magnete: Die Superkraft

Magnete aus Neodym werden als Supermagnete bezeichnet und das hat gute Gründe. Selbst bei kleinster Größe haben sie enorm große Kräfte. Sie gehören in die Kategorie stärkste Dauermagneten der Welt und bestehen aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung (NdFeB). Wegen ihrer außerordentlichen Haftkraft sind sie in beengten Verhältnissen ideal einsetzbar. Allerdings brauchen sie eine Beschichtung, damit sie nicht rosten. Zum Einsatz kommen sie zum Beispiel im Möbelbau, bei Lichtsystemen, im Modellbau und im Rahmen von Kunststofftechnik.

Ferrit-Magnete

Ferrit-Magnete sind keramische Dauermagnete. Sie sind dunkelgrau und allein an ihrer Farbe gut zu identifizieren. Wenn man Ferrit-Magnete mit Neodym-Magneten vergleicht liegt der größte Unterschied darin, dass sie keine schützende Beschichtung benötigen, um Korrosion abzuhalten. Ferrit-Magnete sind besonders günstig, aber auch wesentlich schwächer als Neodym-Magnete. In der Regel kommt Strontium-Ferrit zum Einsatz. Ferrit-Magnete halten Kälte bis -40 °C aus und Hitze bis zu 250 °C. Sie sind preisgünstig und perfekt für den Einsatz im Freien geeignet.

AlNiCo-Magnete

Zu Schulungszwecken gut geeignet sind Ferrofluids, Hufeisenmagnete und Stabmagnete. Ferrofluid ist eine magnetische Flüssigkeit, die für anschauliche Experimente sehr gut funktioniert. Physiklehrer können mit Stahlkugeln aus Aluminium, Nickel oder Kobalt sowie mit Eisenspänen Schüler in die faszinierende Welt des Magnetismus einführen.

Magnete aus Samarium-Kobald- Legierungen

Diese Magnete sind, wie die Neodym-Magnete, so genannte Seltenerdmagnete. Sie sind unempfindlich gegenüber Temperaturen und sie rosten nicht. Im Vergleich zu Neodym sind sie aber teurer, weil die Herstellung aufwendiger und der Rohstoff knapper ist.

Fazit: Für jeden Einsatzbereich die passende Magnetart

Ob als hilfreiches Gadget zum Befestigen von Notizen am Kühlschrank, als praktischer Verschluss von Schränken, zum Antrieb von Motoren oder zur Fortbewegung von Schwebebahnen wie dem Transrapid in Japan – ohne Magnetismus ist der Alltag nicht vorstellbar. Je nach Einsatzbereich werden Magnete mit der passenden Wirkkraft eingesetzt und sorgen unsichtbar – fast wie von Geisterhand - für Komfort, Geschwindigkeit, Sicherheit und Bewegung.

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