Permanentmagnet / Dauermagnet

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Was ist ein Permanentmagnet / Dauermagnet?

Permanentmagnete (Dauermagnete) sind Stoffe, die beständige magnetische Kräfte zeigen. Sie können ferromagnetische Stoffe (z. B. Eisen) anziehen oder stoßen sich an gleichnamigen Polen (Nord- an Nordpol, Süd- an Südpol) gegenseitig ab. Eine Entmagnetisierung eines Permanentmagneten ist durch Hitze, starke mechanische Erschütterung oder starke äußere Magnetfelder möglich. Neben den Permanentmagneten gibt es noch Elektromagnete.

Inhaltsverzeichnis

Der Nordpol eines Permanentmagneten zieht den Südpol eines anderen Permanentmagneten an und umgekehrt. Zwischen gleichnamigen Polen (Nord- an Nordpol, Süd- an Südpol) wirken dagegen abstoßende magnetische Kräfte. Ferromagnetische Stoffe (Eisen, Kobalt, Nickel und einige Legierungen) werden von Permanentmagneten grundsätzlich angezogen.

Permanentmagnete sind magnetische Stoffe, die im Gegensatz zum Elektromagneten keinen Strom für ihr Magnetfeld benötigen. Permanentmagnete bestehen immer aus ferromagnetischen Materialien, deren Elementarmagnete, die atomaren Spins, durch einen Prozess der Magnetisierung parallel ausgerichtet wurden.

Dies kann beim Erkalten von geschmolzenen ferromagnetischen Gesteinen geschehen. Derartige Steine wurden historisch von den alten Griechen nahe der Stadt Magnesia gefunden. Die Stadt Magnesia ist somit der historische Namensgeber für den Magnetismus.

Permanentmagnete lassen sich jedoch auch künstlich herstellen. Dabei werden stark ferromagnetische Metalle, meist Legierungen, wie beispielsweise Samarium-Kobalt, durch starke äußere Magnetfelder magnetisiert. Dieser Prozess der Magnetisierung zeigt eine sogenannte Hysterese, also ein nicht symmetrisches Verhalten des Materials beim Vergrößern des äußeren Magnetfeldes und anschließender Erniedrigung des Magnetfeldes. Die Hysterese entsteht, weil die Ausrichtung der Elementarmagnete im Ferromagneten durch die Austauschwechselwirkung stabilisiert wird und deshalb ein bereits magnetisiertes Material andere Eigenschaften hat als ein noch nicht magnetisierter Ferromagnet.

Durch die Hysterese verbleibt im Ferromagneten auch ein Magnetfeld, wenn das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird. Das magnetisierte Material wird damit zu einem Permanentmagnet. Die verbleibende magnetische Flussdichte wird als Remanenz bezeichnet.

Entmagnetisierung von Permanentmagneten

Während ein Elektromagnet einfach durch Abschalten des Stroms ausgeschaltet werden kann und durch Umkehrung der Stromrichtung umgepolt werden kann, ist es nicht ohne Weiteres möglich, einen Permanentmagneten "auszuschalten". Daher auch die Bezeichnung "permanent". Ein Permanentmagnet bleibt so lange magnetisch, bis die Ausrichtung der atomaren Spins durch äußeres Einwirken (Hitze, starke Schläge, magnetische Felder) wieder gestört wird. Die magnetischen Kräfte sind dann verschwunden und das Material müsste erneut magnetisiert werden. Im Extremfall kann sogar das Material beschädigt werden. Jeder Permanentmagnet besitzt deshalb eine maximale Einsatztemperatur. Oberhalb dieser Temperatur können Schäden auftreten. Oberhalb der materialspezifischen Curie-Temperatur wird der Magnet in jedem Fall vollständig entmagnetisiert.

Stärke von Permanentmagneten

Die Stärke eines Permanentmagneten hängt vom verwendeten Material ab, aber auch von der Genauigkeit, mit der die Magnetisierung des Materials durchgeführt wird. Die Magnetisierung führt nur dann zu einer großen Remanenz, wenn eine vollständige Ausrichtung aller atomaren Spins erreicht wird. Dies erfordert ein geeignetes Material und technisches Know-How.

Wie durch die Maxwellgleichungen beschrieben, gehen Magnetfelder immer von bewegten Ladungen aus. Es gibt nur Magnetfelder durch Ladungsbewegung, bei der immer ein Magnetfeld mit einem Nordpol und einem Südpol entsteht.

Die magnetischen Kräfte der Permanentmagnete werden durch mikroskopische Ladungsbewegung in der Materie erklärt. So bewegen sich die Elektronen in den Atomen mit einer großen Geschwindigkeit. Die Elektronen haben dabei einen charakteristischen Elektronenspin. Aus dem gesamten Bewegungszustand der Elektronen entsteht ein magnetisches Moment und damit eine magnetische Kraft.
Die magnetischen Kräfte wirken immer entlang des Magnetfeldes. Dieses kann durch Feldlinien dargestellt werden. Die Feldlinien geben dann auch die Richtung und die Größe der magnetischen Kräfte an.

Eine stromdurchflossene Leiterschleife (linke Abbildung) erzeugt ein Magnetfeld. Die Stärke dieses Magnetfeldes wird durch das magnetische Moment bemessen. In einem ferromagnetischen Material (mitte) befinden sich zahlreiche magnetische Momente. Wenn diese alle parallel ausgerichtet sind, so entsteht ein Permanentmagnet. Der Permanentmagnet hat ein Magnetfeld, welches identisch ist zum Magnetfeld einer Spule. Im gezeigten Bild sind nur einige Feldlinien schematisch angedeutet. Permanentmagnete können in verschiedensten Formen erzeugt werden. Auf der rechten Seite ist ein Hufeisenmagnet gezeigt. Beim Hufeisenmagnet stehen sich Nord- und Südpol gegenüber. Da die magnetischen Feldlinien als Ganzes immer geschlossen sind, verlaufen sie vom Nord- zum Südpol und dann im Material wieder zurück zum Nordpol. Im Luftraum des Hufeisenmagneten erhält man dadurch ein homogenes Magnetfeld mit parallel laufenden Feldlinien zwischen den Polen.

Die magnetischen Kräfte eines Permanentmagneten hängen vor allem von der Größe der atomaren magnetischen Momente und von der Vollständigkeit der Ausrichtung sowie von der Größe der Austauschwechselwirkung ab. Diese Größen beeinflussen auch die gesamte magnetische Energie, die in einem Permanentmagneten gespeichert ist. Die magnetische Energie wird durch das Energieprodukt gemessen. Das Energieprodukt bestimmt die Güte eines Magneten. Die Güte ist umso größer, je größer das Energieprodukt und damit die magnetische Energie des Permanentmagneten ist.

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Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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