Permanentmagnete und Dauermagnete


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Magnetismus

Magnetismus ist eine physikalische Erscheinung, die sich haupsächlich durch eine Kraftwirkung zwischen Magneten und magnetisierten Gegenständen in unserem Altag bemerkbar macht. Doch Magnetismus spielt in unserem Leben auch ohne das wir es unmittelbar merken eine wichtige Rolle, sowohl im biologischen Sinne als auch in der Wissenschaft und Technik. Viele Errungenschaften der Moderne wären ohne dem Magnetismus nicht möglich.
Selbst in der Antike kannte man magnetische Erscheinungen die man Untersuchte und nutzbar machen wollte. Als besonders wichtiges Hilfsmittel erwies sich in Antike der Kompass.

Permanentmagnet

Der wohlbekannteste Permanentmagnet ist der Hufeisenmagnet, er hat eine anziehende Wirkung auf Eisen. Auf andere Magnete wirk er sowohl anziehend als auch abstoßend. Sind zwei gleich polige seiten einander zugerichtet, dann stoßen sie sich ab, werden jedoch zwei gegenseitige Pole einander näher gebracht, so wirkt eine anziehende Kraft zwischen ihnen. Was magnetische Pole sind wird weiter unten im Detail erklärt.



Man bezeichnet Stoffe die wie Eisen von Magneten angezogen werden als Ferromagnetisch (umgangsprachlich sagt man magnetisch), hierzu zählen Cobalt, Nickel, Neodym und einige andere. Stoffe die keine Wirkung auf die Anwesenheit eines Magnetes zeigen werden nicht-ferromagnetische Stoffe genannt.

Warum sind manche Stoffe magnetisierbar?

Die Antwort auf diese Frage liegt im Modell der Elementarmagneten.

Elementarmagnetmodell

Alle Magnete besitzt zwei gegenüberliegende Magnetpole, an deren Enden ist die magnetische Wirkung besonders stark. Zerlegt man einen Hufeisenmagneten in zwei, so werden beiden Teilstücke auch wieder zwei Magnetpole besitzen. Man kann also keinen Magneten so zerlegen, dass die Teilstücke nur einen einzigen Pol besitzen. Man kann jedoc umgekehrt jeden Magneten aus einer Vielzahl kleinerer Elementarmagnete auffassen. Im unteren Bild sieht man auf der linken Seite Elementarmagnete die alle in unterschiedliche Richtungen zeigen und damit ungeordent sind. Ihre magnetischen Wirkungen heben sich alle gegenseitig auf, sodass der Stoff im gesammten nicht magnetisch ist. Auf der rechten Seite sind die Elementarmagnete alle gleich gerichtet. Ihre magnetischen Wirkungen verstärken sich, sodass sich infolge ein starkes Magnetfeld bildet.




Elementarmagnetmodell

  • Zeigen die Elementarmagnete keine Ordnung, so heben sich ihre magnetischen Wirkungen gegenseitig auf.

  • Zeigen die Elementarmagnete eine Ordnung auf, so verstärken sie ihre magnetischen Wirkungen.

  • Ist ein Stoff magnetisierbar, so richten sich seine Elementarmagnete unter Einfluss eines Magnetfeldes aus.





Elementarmagnete eines magnetisierbaren Materials sind zunächst alle unterschiedlich gerichtet. Bring man das magnetisierbare Material in ein Magnetfeld, so richten sich die Elementarmagnete alle in die gleiche Richtung und bilden eine magnetische Ordnung. Man kann sich vorstellen, als bestehe das Material aus lauter kleiner Magnetnadeln die sich alle innerhalb eines Magnetfelds in die gleiche Richtung orientieren.


Ähnlich wie bei der elektrischen Influenz wo neutrale Körper in einem elektrischen Feld polarisiert werden, geschieht etwas ähnliches mit magnetisierbaren Materialen in einem Magnetfeld. Das Material bleibt dabei für eine relativ lange Zeit magnetisiert, Eisen kann durch die sogannte magnetische Influenz selbst zum Magneten werden.

Wie lange die magnetische Ordnung in einem Material erhalten bleibt wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird hängt unter anderem von der Zusammensetzung des Materials ab und von dessen Temperatur.

Bei Weicheisen erhält man durch eine Magnetisierung kein Permanentmagneten. Es kommt lediglich zu einer temporären Magnetisierung. Materialien die sich nur temporär magnetisieren lassen werden Weichmagnete genannt.

Hartmagnete hingegen lassen sich in einem magnetfeld dauerhaft magnetisieren. Stahl ist ein Beispiel für einen Hartmagneten.

Die Temperatur des Materials spiel ebenso eine wichtige Rolle für die Dauer der Magnetisierung. Aus dem Beitrag zu Temperatur wissen wir, dass sich die Temperatur als Bewegung von Teilchen auffassen lässt. Dies kann man auf ein magnetisiertes Material übertragen, je höher die Temperatur ist, desto größer ist die termische Bewegung der Elementarmagnete. Ab einer bestimmten Temperatur ist die termische Bewegung so groß, dass sich die magnetische Ordnung nicht mehr aufrecht erhält. Der Stoff verliert bei zu hoher Temperatur seine Magnetisierung.

Für jedes Material lässt sich eine bestimmte Temperatur angeben ab der die Ordnung der Elementarmagnete zerstört wird, diese Temperatur wird Curie-Temperatur genannt.
Die Curie-Temperatur von Eisen beträgt \(768°C\), oberhalb dieser Temperatur wird Eisen von keinem Magneten mehr angezogen.


Weitere Einzelheiten

Permanentmagnetene oder auch Dauermagnete genannt besitzen für eine lange Zeit ihre magnetische Wirkung. Sie können ferromagnetische Materialien wie Eisen anziehen, gegenüber anderen Magneten zeigen Dauermagnete sowohl eine anziehende als auch eine abstoßende Kraft. Gleiche Pole stoßen sich ab und entgegengesetzte Pole ziehen sich an. Dauermagnete können ihre magnetisierung verlieren indem sie erhitzt werden, stark erschüttert werden oder starken äußeren Magnetfeldern ausgesetzt werden. Verliert ein Dauermagnet durch solche Einwirkungen seine Magnetisierung dann nennt man diese Entmagnetisierung.

Der Norpol eines Daumagneten zieht den Südpol eines anderen Dauermagneten an. Zwischen zwei gleichen Polen zweier magnete herrscht eine abstoßende Wechselwirkung. Ein Dauermagneten wirkt auf ferromagnetische Stoffe immer anziehen. Ferromagnetische Stoffe sind unter anderem Eisen, Nickel und Kobalt.

Im gegensatz zu einem Elektromagneten benötigt ein Permanentmagnet keinen elektrischen Strom um sein Magnetfeld zu erzeugen. Permanent magnete erzeugen ihr Magnetfeld aus rein Atomaren vorgängen. Bei der Magnetisierung werden die Spins der Atome im bezug auf das äußere Magnetfeld ausgerichtet. Die Atome eines Dauermagneten bestizten aufgrund des atomaren Spins ein magnetisches Moment, dass mit äußeren Magnetfeldern wechselwirkt. Die atomaren magnetischen Momente richten sich beim vorhanden sein eines äußeren Magnetfeld parallel aus.

Permantentmagnete können auch natürlich entstehen, dies geschieht zum Beispiel beim erkalten und erstarren von geschmolzenem ferromagnetischem Gestein. Solche Gesteine waren bereits in der Antike bekannt und wurdne untersucht.


Die magnetische Kraft die ein Dauermagnet ausübt ist vorallem von der Größe der atomaren magnteischen Momente und von dem Antiel der magntischen Momente die parallel ausgerichtet sind. Diese Größen beeinflussen die gesamte magnetischen Energie, die im Dauermagneten gespeichert ist.

Entmagnetisierung

Ein Elektromagneten kann man abschalten indem man den Stromfluss unterbricht, ein Dauermagneten kann man nicht ohne weiteres abgeschalten werden. Solange die atomaren magnetischen Momente parallel ausgrichtet sind, verliert ein Dauermagneten seine magnetische Eigenschaft nicht. Die magnetischen Momente können aber durch erhitzen in termische Bewegung versetzt werden, ab einer bestimmte Temperatur verlieren die atomaren Spins ihre magnetische Ordung, daduch kompensieren sich ihre einzelnen magnetischen Wirkungen. Die magnetischen Momente lassen sich auch durch starke erschütterungen oder anderen magnetischen Feldern aus der Ordnung bringen.