Magnet

Ein Magnet (Plural Magnete; vgl. griech.: lithos magnes: „Stein aus Magnesia“, vgl. das Mineral Magnetit) ist ein Körper, der bestimmte andere Körper magnetisch anzieht oder abstößt. Magnetische Anziehung oder Abstoßung ist ein grundlegendes Naturphänomen – siehe dazu den Artikel Magnetismus.

Magnetfeldlinien um einen Stabmagneten

Eisenfeilspäne auf Papier, die sich entsprechend dem Feld eines darunter befindlichen Stabmagneten ausgerichtet haben

Grundlagen

Die Richtung und Stärke magnetischer Kräfte kann man durch Feldlinien anschaulich darstellen. Ein Magnet ruft ein Magnetfeld hervor und wird von diesem durchströmt. Die Oberflächenbereiche, die vom überwiegenden Teil des Magnetfeldes durchflossen 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, in den beschreibenden Formeln wird aber das normale mathematische Vorzeichen verwendet.

Man unterscheidet Dauermagnete und Elektromagnete. Bei beiden kommen Magnetwerkstoffe zum Einsatz.

Magnetische Monopole (also einzelne Nord- oder Südpole ohne ihren Widerpart) sind derzeit eher spekulativer Natur und konnten bisher nicht experimentell nachgewiesen werden. Neuere Experimente kündigen hier aber eine Änderung an.

Dauermagnet

→ Hauptartikel: Hallo

Dauermagnete (auch Permanentmagnete genannt) behalten nach einer Magnetisierung diese über lange Zeit bei. Zur Herstellung dienen heute metallische Legierungen aus Eisen, Nickel und Aluminium mit Zusätzen aus Cobalt, Mangan und Kupfer oder auch keramische Werkstoffe (Barium- bzw. Strontiumhexaferrit). Besonders starke Magnete werden im Sinterverfahren aus seltenen Erden hergestellt, wie zum Beispiel Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor. Verwendung finden Dauermagnete in Kompassen als Magnetnadel, in Elektromotoren, in elektrischen Messinstrumenten, zum Beispiel Drehspulinstrumenten, in Lautsprechern und Kopfhörern sowie in vielen anderen modernen Geräten wie Druckköpfen von Druckern (bei neueren Ausführungen werden sie aber mit Piezokristallen betrieben), Festplattenlaufwerken, Aktoren und Sensoren, Metall-Separatoren.

Elektromagnet

→ Hauptartikel: Elektromagnet

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

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

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

Die magnetische Flussdichte ist bei Elektromagneten, die ferromagnetische Werkstoffe als Kernmaterial verwenden, auf ca. <2 Tesla (Sättigungsflussdichte) begrenzt.

Supraleitung

Bei Verwendung von supraleitenden Werkstoffen zur Wicklung eines Elektromagneten ist es jedoch möglich, magnetische Flussdichten bis ca. 20 Tesla im Dauerbetrieb in Luft 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 Magnete sind z. B. für Kernresonanzspektroskopie,Kernspintomografen oder kontinuierlich arbeitende Kernfusionsreaktoren erforderlich. Der stärkste kommerziell erhältliche NMR-Magnet hat 2009 23,5 T (Bruker).

Magnetscheiben

Datei:Magnetscheibe.jpg

Magnetscheibe aus einem 16-T-Magneten für 20 kA, ca. 40 cm Durchmesser, mit Durchschlagstelle von einem Crash

Hohe Flussdichten auch ohne Supraleitung lassen sich durch Magnete erreichen, bei denen jede Spulenwindung aus einer geschlitzten Scheibe aus Kupfer besteht. Die mittige Lochung dient zur Aufnahme der Probe.

Die nächste Platte wird mit etwas Überlappung zur vorhergehenden platziert. Hier entsteht ein direkter elektrischer Kontakt. Der übrige Bereich wird durch eine Isolationszwischenschicht elektrisch getrennt und bildet so die nächste Windung.

Die außen radial eingebrachten Bohrungen dienen zur Aufnahme von Montagebolzen, darüber hinaus sind über die Fläche verteilt viele kleine Bohrungen eingebracht. Diese gestatten die Passage von Kühlflüssigkeit. Wegen der im Inneren höheren elektrischen Stromdichte (wegen des kürzeren Stromweges auf dem kleineren Kreisumfang) sind nach innen hin im Verhältnis mehr Bohrungen vorgesehen.

Die Platten werden zu einem Plattenstapel zusammengesetzt, der etwa gleich hoch wie breit ist. Bei Scheibendurchmessern von ca. 40 cm, Bohrungsdurchmessern von ca. 5 cm, Scheibendicken von ca. 2 mm, Stromstärken bis 20 kA, Scheibenzahlen von 250 und großem Aufwand an Wasserkühlung lassen sich so Flussdichten bis 16 Tesla erreichen; bei einem Bohrungsdurchmesser von 3 cm bis zu 19 Tesla. Hierbei findet kein Eisenkern Anwendung, die zu untersuchende Probe wird direkt im Mittelpunkt des Magneten positioniert.

Der elektrische Leistungsbedarf erreicht bis zu 5 MW (ca. 1 V je Windung). Für Dauerbetrieb muss die vollständig in Wärme gewandelte elektrische Leistung durch eine ausreichend dimensionierte Kühlung abgeführt werden.

Im Impulsbetrieb können auch mit ungekühlten Spulen infolge der Wärmekapazität des Spulenwerkstoffes kurzzeitig hohe Flussdichten erreicht werden. Bei Experimenten mit noch höheren magnetischen Flussdichten werden die Spulen allerdings bei jedem Versuch mechanisch oder thermisch zerstört.

Dauermagnetherstellung

Mit Hilfe eines von einem anderen magnetischen Körper oder durch elektrischen Strom erzeugten Magnetfeld können ferromagnetische Stoffe vorübergehend (sogenannter induzierter Magnetismus) oder dauerhaft durch Ausrichtung der Weiss-Bezirke selbst zu Magneten werden.

Auf diese Weise werden übliche Dauermagnete hergestellt.

Magnetismus

Handmagnet zum Abtrennen magnetischer Schwerminerale

→ Hauptartikel: Magnetismus

Die Eigenschaften von Magneten und der Magnetismus werden durch die physikalische Theorie der Elektrodynamik beschrieben, die 1873 von James Clerk Maxwell veröffentlicht wurde.

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

Man unterscheidet folgende Arten des Magnetismus:

• Diamagnetismus
• Paramagnetismus
• Ferromagnetismus
• Antiferromagnetismus

Gesundheitliche Aspekte

Verschluckte Magnete können durch die zwischen ihnen wirksamen Anziehungskräfte lebensbedrohliche Verletzungen im Magen-Darmtrakt verursachen.

Wirkung auf magnetische Datenträger

Kommt ein magnetisch aufzeichnender Datenträger (Festplatte, Magnetstreifen einer Kreditkarte, Tonbandspulen o. ä.), in die Nähe eines stärkeren Magneten, kann das einwirkende Magnetfeld so groß werden, dass es zu Datenverlusten kommt. Ein bekanntes Beispiel waren die Magnettische in Zügen der Deutschen Bahn AG, bei denen Laptops durch die Magnethalterungen abstürzten und die Datenverluste nicht rückgängig gemacht werden konnten. Oft kommt es auch an Kassen zur Zerstörung von EC/Kreditkarten, weil dort manche Waren-Diebstahlsicherungen mittels eines stärkeren Magneten entfernt werden.

Fachliteratur

• Klaus D. Linsmeier, Achim Greis: Elektromagnetische Aktoren. Physikalische Grundlagen, Bauarten, Anwendungen. In: Die Bibliothek der Technik, Band 197. Verlag Moderne Industrie, ISBN 3-478-93224-6
• Dr. Ing. Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982, ISBN 3-446-13553-7
• Prof. Dr. Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 2000, ISBN 3-8171-1628-4
• Das grosse Buch der Technik. Verlag für Wissen und Bildung, Verlagsgruppe Bertelsmann GmbH, Gütersloh, 1972
• Prof. Dr. Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag – Europa – Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Horst Kuchling: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 1982

Siehe auch

• Ablenkmagnet
• Magnetklebeband
• Halbach-Array

Weblinks

Commons: Magnet – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Magnet – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Versuche
• verschiedene Magnetformen (z. B. Hufeisenmagnet); Einführung in den Magnetismus
• Magnettechnik, Lexikon Magnetismus, Magnetisierungsmöglichkeiten, Sicherheitshinweise für den Umgang mit Dauermagneten