Im vorherigen Kapitel haben wir uns damit befasst, wie Magnetismus entsteht. Dabei haben wir gesehen, dass es verschiedene Formen von Magnetismus gibt (Diamagnetismus, Paramagnetmis, Ferromagnetismus), wobei nur der Ferromagnetimus (aufgrund seiner Stärke) im Alltag sichtbar ist bzw. eine Rolle spielt.
In diesem Kapitel wollen wir uns einen “Magneten” mal etwas näher betrachtet. Aufgrund der alltäglichen und technischen Bedeutung soll im Folgenden das Augenmerk auf dem Dauermagnet und dem Elektromagnet liegen.
Dauermagnet
Ein Dauermagnet (auch als Permanentmagnet bezeichnet) wird aus ferromagnetischen Stoffen wie Eisen, Kobalt, Nickel hergestellt. Ein Werkstoff aus einem ferromagnetischen Stoff ist aber noch kein (Dauer)Magnet. Der Werkstoff muss anschließend noch durch einen Prozess magnetisiert werden. Der wesentliche Unterschied zwischen einem nicht magnetisierten ferromagnetischen Werkstoff und einem magnetisierten Stoff besteht in der inneren atomaren Struktur des Stoffes.
Wie im vorherigen Kapitel erwähnt, besitzt jeder Stoff magnetische Eigenschaften und ist dia- para- oder ferromagnetisch. Dabei weisen ferromagnetische Stoffe (Eisen, Nickel, Kobalt und Legierungen aus diesen Metallen) eine Besonderheit ihrer Struktur aus. Metalle besitzen im Metallgitter im Gegensatz zu Molekülen freie Elektronen, die mit einem äußeren Magnetfeld in Wechselwirkung treten können, genauso wie Verbindungen mit einer ungeraden Anzahl an Elektronen. Im Gegensatz zu paramagnetischen Stoffen ist in ferromagnetischen Stoffen die Magnetisierung dem äußeren Magnetfeld gleichgerichtet und aufgrund der Wechselwirkung der Elektronenspins besonders stark.
Im atomaren Aufbau gibt es durch die Wirkung des Elektronenspins magnetische Bereiche mit gleicher magnetischer Orientierung. Diese Bereiche sind normalerweise (beispielsweise bei einem Eisenstab) ohne Ordnung angeordnet bzw. ausgerichtet. In Schulbüchern werden diese magnetischen Bereiche als weißsche Bezirke oder Elementarmagnete bezeichnet. Aufgrund ihrer Unordnung heben sich die schwachen Magnetfelder der weißschen Bezirke gegenseitig aus, so dass auf das Umfeld keine und nur eine geringe magnetische Wirkung wirkt. Dies erklärt auch, warum eine (nicht magnetisierte) Eisenstange nicht wie ein Magnet wird.
Der Prozess der Magnetisierung läuft dadurch ab, da in der Nähe eines starken Magneten die sogenannten Elementarmagnete eines ferromagnetischen Stoffes ausgerichtet werden. Bringt man eine ferromagnetische Substanz in ein äußeres Magnetfeld, dann richten sich die weißsche Bezirke entlang der magnetischen Feldlinien des äußeren Feldes aus. Die schwachen Magnetfelder der nun “geordneten” weißschen Bezirke sind nun gerichtet und wirken in einer Richtung, d.h. sie heben sich nicht gegenseitig auf, sondern verstärken sich gegenseitig. Je stärker das von außen angelegte Feld ist, desto größer ist der Ausrichtungseffekt. Durch diese Magnetisierung kann man die Struktur von ferromagnetischen Stoffen so ändern, dass sie lange Zeit selbst eine “magnetische” Kraft auf ihre Umgebung ausüben.
Jeder Magnet hat zwei Pole, dabei bilden Nord- und Südpol die beiden verschiedenen Pole eines Dauermagneten, wobei das magnetische Feld vom Nordpol aus zum Südpol verläuft. Bei “magnetischen Polen” gilt das gleiche wie bei elektrischen Ladungen. Gleichnamige Pole stoßen sich ab ( Nord- und Nordpol bzw. Süd- und Südpol), während sich entgegengesetzte Pole sich gegenseitig anziehen. Die magnetische Kraft auf ein ferromagnetisches Material (z.B. Eisen) ist am Nordpol wie auch am Südpol anziehend, wird also von beiden Polen angezogen.
Wichtig: Im Gegensatz zu Ladungen (diese lassen sich trennen “Ladungstrennug”) kann man einen Magneten nicht teilen, so dass man nur einen Nordpol oder einen Südpol erhält. Aufgrund der atomaren Struktur, die Magnetismus ermöglichen, lassen sich Elektromagnete nicht teilen, die (Ausrichtung) der Elektromagnete ist aber auch dafür verantwortlich, dass auch Dauermagnete nicht von einiger Dauer sind. Magnete verlieren mit der Zeit ihre magnetische Kraft (die Ordnung der weißsschen Bezirke geht verloren). “Künstlich” kann man eine Entmagnetisierung auch durch Erhitzen (Erhitzen über die Curietemperatur) oder durch mechanische Bearbeitung erreichen.
Zusammengefasst: Ein Dauermagnet (oder Permanentmagnet), besteht aus einem magnetisierten ferromagnetischen Material (Eisen, Nickel, Kobalt und Legierungen aus diesen Metallen), die in einem Prozess magnetisiert wurden und seitdem ihre magnetische Eigenschaft behalten haben.
Ein anderer Typ von Magnet, der in Alltag und Technik verwendet wird, ist der sogenannte Elektromagnet. Dabei ist ein Elektromagnet eine Konstruktion, in der ein starkes Magnetfeld durch einen elektrischen Strom hervorgerufen wird. Dabei bestehen Elektromagnete aus einer oder mehreren Spulen.
Ist der Elektromagnet in einem geschlossenen Stromkreis an ein Netzgerät angeschlossen und fließt so nun ein elektrischer Strom durch die Spule, so entsteht um den Leiter der Spule ein Magnetfeld. Das besondere an einer Spule ist, dass die Leitung (oft ein Draht) in vielen Windungen (wie Schleifen) übereinander gewickelt ist. Dadurch wirkt jede einzelne Wicklung wie ein kreisförmiger Leiter, wobei sich die einzelnen Magnetfelder zu einem gesamten Feld überlagern.
Den magnetischen Effekt einer stromdurchflossenen Spule kann man noch steigern. Bringt man in Spule einen Eisenkern, so wird das Magnetfeld zusätzlich verstärkt (Ausrichtung der weißschen Bezirke im Eisen verstärkt das Magnetfeld).
Siehe hierzu auch das Kapitel “Magnetische Induktion”
Vergleich: Dauermagnet vs. Elektromagnet
Ein Dauermagnet ist ein Material, das eine anhaltende magnetische Wirkung aufweist. Er behält seine magnetischen Eigenschaften aufgrund der Ausrichtung der magnetischen Domänen innerhalb des Materials, die auch nach dem Entfernen des externen Magnetfelds bestehen bleiben.
Ein Elektromagnet ist ein Magnet, dessen Magnetfeld durch den Durchfluss von elektrischem Strom erzeugt wird. Das Magnetfeld verschwindet, wenn der Stromfluss gestoppt wird.
Ein Elektromagnet besteht hauptsächlich aus dem Kern, der oft aus Eisen oder Stahl besteht, und der Spule, die mit elektrischem Draht gewickelt ist.
Die Anzahl der Windungen in der Spule eines Elektromagneten beeinflusst die Stärke des Magnetfelds. Je mehr Windungen, desto stärker das Magnetfeld.
Wenn der Strom in einem Elektromagneten umgekehrt wird, ändert sich die Richtung des Magnetfelds.
Eisen wird hauptsächlich als Kernmaterial in Elektromagneten verwendet, weil es eine hohe magnetische Permeabilität aufweist, was bedeutet, dass es das Magnetfeld verstärken kann.
Die magnetische Sättigung eines Dauermagneten bezeichnet den Zustand, in dem eine weitere Zunahme des Magnetfelds keine weitere Zunahme der Magnetisierung bewirkt.
Dauermagnete werden hergestellt, indem ein magnetisierbares Material einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, was die magnetischen Domänen des Materials ausrichtet und einen permanenten Magnetismus erzeugt.
Materialien, die zur Herstellung von Dauermagneten verwendet werden, schließen Alnico, Ferrit und rare earth metals wie Neodym und Samarium-Cobalt ein.
Die Pole eines Magneten folgen der Regel, dass sich entgegengesetzte Pole (Nord und Süd) anziehen und gleiche Pole (Nord-Nord oder Süd-Süd) abstoßen.