Magnet, Magnetismus


Magnetische Anziehung und Abstoßung von Magnete

Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte eines Magneten. Ziehen sich zwei ungleiche Magnetpole an, unterstützt der eine Magnet die parallele Ausrichtung der Elementarmagnete im anderen Magneten. Wenn es aber um Magnete geht, kann nicht von magnetischen Ladungen gesprochen werden. Die Anziehung zwischen Magneten ist leicht stärker als die Abstoßung. Das liegt an der jeweiligen Ausrichtung der Elementarmagnete im Magneten. Sowohl die Anziehung als auch die Abstoßung von Magneten nehmen bei zunehmendem Abstand sehr stark ab.


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Grundlagen

Die Richtung und Stärke magnetischer Kräfte kann man durch Feldlinien anschaulich darstellen. Ein Magnet besitzt ein Magnetfeld, das durch seine Oberfläche hindurch auch in sein Inneres reicht. Die Oberflächenbereiche, die vom überwiegenden Teil des Magnetfeldes durchsetzt werden, heißen die Pole des Magneten; nach gängiger Konvention treten die Feldlinien am „Südpol“ (meist grün dargestellt) in den Magneten ein und am „Nordpol“ (rot) aus. Die ist durch die Kraftwirkung auf einen definiert.

Magnetische Monopole, also einzelne Nord- oder Südpole ohne ihren Widerpart, sind spekulativer Natur und konnten bisher nicht experimentell nachgewiesen werden. Zwar haben Experimente monopolähnliche Strukturen in bestimmten Festkörpern nachgewiesen; diese treten aber nur paarweise auf und können zwar als Quellen der, aber nicht des Magnetfelds selbst angesehen werden.

Auch viele Gesteine haben magnetische Eigenschaften. Das Erdmagnetfeld nach dem sich Kompassnadeln ausrichten, entsteht nur zu einem geringen Teil durch solche magnetisierten Gesteine in der Erdkruste und zum großen Teil durch tiefer liegende Strömungen von elektrisch leitender Materie, also konkreten, makroskopischen Strömen.

Man unterscheidet folgende Arten des Magnetismus:

  • Diamagnetismus
  • Paramagnetismus
  • Ferromagnetismus
  • Antiferromagnetismus
  • Ferrimagnetismus

Bevor der Zusammenhang von Magnetismus und Elektrizität bekannt wurde, waren magnetische Phänomene und Nutzungen nur unter Zuhilfenahme natürlicher Magnetit - Magneteisensteine zu beobachten und zu verwenden. Die praktische Anwendung galt ausschließlich dem Kompass. Dessen Prinzip war schon im vorchristlichen China und in der griechischen Antike bekannt. Nach dem römischen Dichter wurden die Magneteisensteine nach der Landschaft Magnisia in Griechenland benannt, wo diese Steine schon sehr früh gefunden wurden. Der mittelalterliche englische Theologe und Naturforscher veröffentlichte gegen 1200 die frühesten europäischen Aufzeichnungen über die Magnetisierung von Kompassnadeln, und beschrieb 1269 erstmals die Polarität von Magneten. Grundlegendes zum Magnetismus, z.B. die Kenntnis von der Magneteigenschaft der Erdkugel, trug bei, indem er systematisch und experimentierend vorging nach seinem Vorschlag konzentrierte man die Kraftlinien an den Polen der Magnetsteine mit kleinen Eisenkappen. Die ungebrochene Faszination des auch im 18. Jahrhundert in seinen Ursachen noch unklaren Magnetismus spiegelt der lange Artikel Magnet in der Encyclopädie die Zusammenhänge zwischen elektrischem Strom und Magnetismus. Erst dies war die Voraussetzung für die Entwicklung der Elektrotechnik


Dauermagnet

Dauermagneten (auch Permanentmagneten genannt) behalten nach einer Magnetisierung diese über lange Zeit bei. Zur Herstellung dienen heute metallische Legierungen oder auch keramische Werkstoffe (Barium- bzw. Strontiumferrit. Besonders starke Magneten werden im Sinterverfahren hergestellt, wie zum Beispiel Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor. Verwendung finden Dauermagneten in Kompassen als Magnetnadel, in Elektromotoren, elektrischen Messinstrumenten, in Lautsprechern, Kopfhörern und Gitarrentonabnehmern sowie in vielen anderen modernen Geräten wie Druckköpfen von Nadeldruckern, Festplattenlaufwerken, Sensoren und Metall-Abscheidern. Die einfachste Anwendung als Haltemagnet auf Eisen hält Möbeltüren, Handtaschen, den Deckel einer extravaganten Kartonverpackung geschlossen, Dekoration oder Infotafeln an Blechstreben einer abgehängten Zwischendecke, Notizen auf einer „Magnettafel“ (eigentlich mittels Magnetknopf auf Blech), ein mit Stahlblech versehenes Smartphone auf einer Magnethalterung, eine Warn- oder Arbeitsleuchte auf Autoblech, Pseudopiercings etwa an der Wange.


Elektromagnet

Elektromagneten bestehen im Allgemeinen aus einer oder zwei stromdurchflossenen Spulen, meistens mit einem Kern aus einem weichmagnetischen Werkstoff, im einfachsten Fall aus Weicheisen. Diese Anordnung führt zu einem starken Magnetfeld, siehe hierzu Elektromagnetismus. Man verwendet Elektromagneten für zahlreiche kleine und große technische Einrichtungen, z.B. fremderregte Elektromotoren, Zug-, Hub- und Stoßmagneten, elektrischer Türöffner.

Wechselstrom-Elektromagneten finden sich in Membranpumpen (z.B. zur Aquarium-Belüftung) und Schwingförderern

Als Sonderfall weisen Ablenkspulen beispielsweise in einerKathodenstrahlröhre keinen Kern auf und wirken so, als Luftspule, ebenfalls als Elektromagnet.

Mit Elektro-Magnetfiltern können ferromagnetische Feststoffe aus Flüssigkeiten abgetrennt werden. Diese Feststoffe bestehen überwiegend aus Eisenoxiden. Diese werden beispielsweise aus den Umlaufkondensaten von Kraftwerken und den Umlaufwässern von Fernheiznetzen abfiltriert.


Magnetische Flussdichte

Ab einer magnetischen Flussdichte von etwa 2 T (Sättigungsfeldstärke) sind die üblichen ferromagnetischen Werkstoffe für den Kern eines Elektromagneten in der Sättigung und können nicht mehr zur Verstärkung des Feldes beitragen. Ohne die Unterstützung durch den Kern können z.B. wie in einer Luftspule auch bedeutend größere Flussdichten erreicht werden, allerdings mit viel höherem Energieaufwand.


Supraleitung

Bei Verwendung vonsupraleitenden Werkstoffen zur Wicklung eines Elektromagneten ist es möglich, magnetische Flussdichten bis ca. 20 Tesla im Dauerbetrieb zu erreichen. Da die Sprungtemperatur der Supraleitung bei solchen Magnetfeldern und Stromdichten stark absinkt, müssen die Spulen dazu in mit flüssigem Helium gefüllten Kryostaten durch Siedekühlung bei Unterdruck auf deutlich unter 4 K gekühlt werden.

Solche Magneten sind z.B. für Kernspinresonanzspektroskopie oder kontinuierlich arbeitende Kernfusionsreaktoren erforderlich. Im Jahr 2009 besaß der stärkste kommerziell erhältliche NMR-Magnet eine Flussdichte von 23,5 T


Anwendungen


Ablenkmagnet

Ein Ablenkmagnet ist ein Magnet (fast immer Elektromagnet), der in einem technischen Gerät eingesetzt wird, um einen Strahl aus geladenen Teilchen (z.B. Elektronen) in eine andere Richtung abzulenken. In diesem Fall wird auch eine kernlose Spule als Magnet bezeichnet.

Ablenkmagneten nutzen die Lorentzkraft, die bewegte elektrische Ladungen in einem magnetischen Feld zu einer Richtungsänderung zwingt. Ist das Feld homogen, durchfliegen die Teilchen dabei einen Kreisbogen quer zur Magnetfeldrichtung. Das Magnetfeld kann permanent Magnetische Induktion erzeugt werden. Letztere Variante erlaubt schnelle Änderungen der Magnetische Feldstärke.

Die Richtungsänderung dient meist der Fokussierung oder Lenkung eines Strahls. Zur Ablenkung von Elektronen sind Ablenkmagneten Bestandteile von:

  • Kathodenstrahlröhren (Oszilloskope, Röhren-Monitore)
  • Elektronenmikroskopen (magnetische Linsen im TEM, REM)
  • Elektronenstrahl-Schweißanlagen

Auch in Teilchenbeschleunigern und ihren Strahlführungen werden geladene Teilchen mit Dipolmagneten auf bestimmte Bahnen gelenkt.

Umgekehrt erlaubt der Winkel der Richtungsänderung bei bekannter Ladung Rückschlüsse auf die Masse der abgelenkten Teilchen. Dies ist die Grundlage der Massenspektrometrie.


Wirkung auf magnetische Datenträger

Kommt ein magnetisch aufzeichnender Datenträger Magnetstreifen einer Kreditkarte, in die Nähe eines stärkeren Magneten, kann das einwirkende Magnetfeld zu Datenverlusten durch Überschreiben der magnetischen Informationen des Datenträgers führen. Ein bekanntes Beispiel dafür sind die Magnethalterungen von Klapptischen in Zügen der Deutschen Bahn AG, die nicht an der Arretierposition (Lehne), sondern im Tisch angebracht, also in der Tischauflagefläche eingearbeitet waren. Die Festplatten aufliegender Laptops wurden durch diese Magnethalterungen nicht nur gelöscht, sondern beschädigt, die Datenverluste konnten nicht rückgängig gemacht werden. Oft kommt es auch an Ladenkassen zur Zerstörung von EC-/Kreditkarten, weil dort manche Waren-Diebstahlsicherungen mittels eines starken Magneten entfernt werden.


Magnete als Anschauungsobjekte

Ich bin Physiklehrer und kann diese kleinen Magnete wunderbar im Unterricht einsetzen. Sie sind wirklich superstark und robust.


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Neodym Konusmagnete

 

 

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Konische Magnete

 

 

Magnete mit Bohrung und Senkung aus Neodym

 

 

Magnete mit Bohrung
und Senkung

 

 

Magnethaken / Hakenmagnete

 

 

Magnethaken
Hakenmagnete

 

 

Ösenmagnete / Magnetösen

 

 

Ösenmagnete
Magnetösen

 

 

Magnetkugeln / Kugelmagnete Neodym

 

 

Magnetkugeln Kugelmagnete

 

 

Magnetwürfel / Würfelmagnete Neodym

 

 

Magnetwürfel Würfelmagnete

 

 

Scheibenmagnet (Magnetscheiben) / Rundmagnet Neodym

 

 

Scheibenmagnet Rundmagnet

 

 

Stabmagnete / Magnetstäbe aus Neodym

 

 

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Magnetstäbe

 

 

Quadermagnet / Magnetquader Neodym

 

 

Quadermagnet Magnetquader

 

 

Ringmagnete / Magnetringe Neodym

 

 

Ringmagnete Magnetringe

 

 

Stabmagnete mit Gehrung 45° aus Neodym

 

 

Stabmagnete mit
Gehrung 45°

 

 

Klebemagnete / selbstklebende Magnete aus Neodym

 

 

Klebemagnete
selbstklebende Magnete

 

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