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Dauermagnet
Ein Dauermagnet (auch Permanentmagnet) ist ein Magnet aus einem Stück hartmagnetischen Materials, zum Beispiel Legierungen aus Eisen, Cobalt, Nickel oder …
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Begriff und magnetische Grundlagen
Ein Dauermagnet oder Permanentmagnet besteht aus einem Stück hartmagnetischen Materials, etwa einer Legierung aus Eisen, Cobalt oder Nickel oder aus bestimmten Ferriten. Er erzeugt und behält ein gleichbleibendes Magnetfeld, ohne elektrische Leistung zu benötigen. An seiner Oberfläche besitzt er einen oder mehrere Nord- und Südpole. Ungleichnamige Pole zweier Magnete ziehen einander an, gleichnamige stoßen einander ab. Außerdem ziehen Dauermagnete ferromagnetische Stoffe wie Eisen und ferrimagnetische Stoffe wie Ferrite an.
Zur Herstellung eines Dauermagneten wird ein ferro- oder ferrimagnetischer Stoff einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt. Geeignet sind hartmagnetische Materialien mit einer breiten, ungefähr rechteckigen Hysteresekurve. Eine Hysteresekurve zeigt, wie die magnetische Flussdichte B von der äußeren Feldstärke H abhängt und dass nach dem Abschalten des Feldes Magnetisierung zurückbleibt. Kohlenstoffreicher, harter Stahl lässt sich dauerhaft magnetisieren. Kohlenstoffarmes Weicheisen ist dagegen weichmagnetisch: Seine Hysteresekurve ist schmal, es lässt sich kaum dauerhaft magnetisieren und eignet sich deshalb für die Kerne von Elektromagneten und Transformatoren.
Ein Dauermagnet kann durch ein abklingendes magnetisches Wechselfeld, Erwärmung oder Stöße entmagnetisiert werden. Magnetisierte Ringe ohne Pole, etwa in Kernspeichern, üben keine äußeren Kräfte aus und gelten trotz ihrer Magnetisierung nicht als Dauermagnete. Auch magnetisierte Schichten auf Magnetbändern, Magnetstreifen und Festplatten werden nicht so bezeichnet. Die atomare Ursache magnetischer Eigenschaften hängt mit den Bewegungen und dem Spin der Elektronen zusammen.
Wichtige Kenngrößen
Das Energieprodukt oder BH-Produkt bezeichnet die gesamte im Magneten gespeicherte Feldenergie. Die Energiedichte ist diese magnetische Energie bezogen auf das Volumen des Magneten.
Die Koerzitivfeldstärke H_C ist die Feldstärke, die zur vollständigen Entmagnetisierung bis zur Flussdichte B = 0 erforderlich ist. Sie entspricht dem Schnittpunkt der Hysteresekurve mit der H-Achse. Je größer sie ist, desto widerstandsfähiger ist ein Magnet gegen die Entmagnetisierung durch äußere Felder. Unterschieden werden die Koerzitivfeldstärke H_cB der magnetischen Flussdichte und H_cJ der magnetischen Polarisation.
Die Remanenz B_R ist die Flussdichte, die nach dem Abschalten des äußeren Feldes verbleibt; in der Hysteresekurve gilt dafür H = 0. Die maximale Betriebstemperatur liegt deutlich unter der Curie-Temperatur, bei der die ferromagnetische Eigenschaft verschwindet. Schon vorher kann die makroskopische Ausrichtung der Weiss-Bezirke, also gemeinsam magnetisierter Bereiche, irreversibel verloren gehen. Für technische Materialien wird deshalb ein Temperaturbereich angegeben, in dem die unvermeidliche Entmagnetisierung unmerklich langsam ist oder hauptsächlich durch mechanische Belastung bestimmt wird.
Materialarten und Eigenschaften
Früher wurden Dauermagnete aus Stahl hergestellt, beispielsweise als Hufeisenmagnete. Sie sind schwach und leicht zu entmagnetisieren. Eine Dauermagnetisierung in einem Stahlwerkzeug kann infolge plastischer Verformung entstehen und auf mechanische Überlastung hinweisen.
AlNiCo-Magnete sind Eisenlegierungen mit Aluminium, Nickel und Cobalt. Sie sind bis 500 °C einsetzbar und besitzen eine höhere Remanenz als Ferritmagnete, aber eine relativ geringe Energiedichte und Koerzitivfeldstärke. Sie werden gegossen oder pulvermetallurgisch gefertigt, sind korrosionsbeständig, jedoch hart und zerbrechlich. Bismanol aus Bismut, Mangan und Eisen ist stark, heute aber nicht mehr gebräuchlich.
Hartmagnetische Ferrite sind kostengünstig, jedoch vergleichsweise schwach, und können bis 250 °C eingesetzt werden. Typische Anwendungen sind Haftmagnete sowie Feldmagnete in Gleichstrommotoren und elektrodynamischen Lautsprechern. Die bei der Entstehung natürlicher ferrimagnetischer Minerale wie Magnetit durch das Erdmagnetfeld eingeprägte Orientierung dient in der Magnetostratigraphie zur Rekonstruktion früherer Magnetfeldrichtungen.
Zu den Seltenerdmagneten gehört Neodym-Eisen-Bor, Nd₂Fe₁₄B. Es ermöglicht sehr starke Magnete zu akzeptablen Kosten. Lange waren die Einsatztemperaturen auf 60–120 °C begrenzt; neuere Werkstoffe mit Zusätzen wie Dysprosium werden für bis zu 200 °C angegeben. Mit steigender Temperatur sinken aber Remanenz und Entmagnetisierungsfestigkeit: Bei einem beschriebenen Werkstoff fällt B_R von 1,28 T bei 20 °C auf 1,05 T bei 200 °C. Die maximale negative Feldstärke, ab der B null wird, sinkt ungefähr von −1000 kA/m auf −367 kA/m. Der Knickpunkt liegt bei 200 °C bei −367 kA/m und 0,55 T. Samarium-Cobalt, SmCo, mit 20–25 % Eisenanteil bietet ebenfalls hohe Energiedichte, große Magnetkraft und hohe Einsatztemperaturen, ist jedoch teuer.
Kunststoffmagnete können aus organischen Kunststoffen mit permanentmagnetischen Eigenschaften bestehen, beispielsweise dem bei Raumtemperatur ferrimagnetischen PANiCNQ. Daneben gibt es elastische oder feste Verbundmagnete aus hartmagnetischen Partikeln in einer Kunststoffmatrix. Sie lassen sich im Spritzguss verarbeiten und werden etwa zur Justage von Elektronenstrahlröhren oder in Dichtungen von Kühlgerätetüren eingesetzt. Eine neu entwickelte Materialklasse sind C16-High-Entropy-Boride aus Übergangsmetallen und Bor. Dünne Schichten erreichen ohne Seltene Erden magnetische Anisotropien, die fast an klassische Seltenerd-Dauermagnete heranreichen.
Herstellung und Magnetisierung
Permanentmagnete werden meist aus kristallinem Pulver unter einem starken Magnetfeld in eine Form gepresst. Dabei richten sich die Kristalle nach ihrer bevorzugten Magnetisierungsachse aus. Anschließend werden die Presslinge gesintert. Bei der Sintertemperatur von über 1000 °C geht die nach außen wirksame Magnetisierung durch die thermische Bewegung und weitgehend antiparallele Ausrichtung der Elementarmagnete verloren. Die Orientierung der Körner bleibt jedoch bestehen. Nach dem Abkühlen kann ein ausreichend starker Magnetisierungsimpuls die Elementarströme wieder parallel ausrichten.
Zur Magnetisierung kann eine Spule dienen, durch die ein großer, nicht seine Richtung wechselnder Strom fließt. Bei starken Magneten muss dieser Strom über 100 kA erreichen und wird aus geladenen Kondensatoren bereitgestellt. Die Polarisation setzt ein, wenn die Neukurve von der Linie des magnetischen Leitwerts abweicht. Bei H_cB gilt der Magnet als vollständig polarisiert; bei quaderförmigen Magneten können die Ecken dennoch noch nicht vollständig erfasst sein. Für vollständige Magnetisierung sollte die Feldstärke deshalb das 2- bis 2,5-Fache der Koerzitivfeldstärke betragen. Wird das äußere Feld auf null abgesenkt, bleibt die Remanenz zurück. Der Arbeitsbereich des Magneten liegt im zweiten Quadranten der Entmagnetisierungskurve.
Schwächere Magnete können in einem Joch durch Permanentmagnete und eine Magnetflusskonzentration magnetisiert werden. Dabei wirken schon beim Einsetzen große Kräfte; verkantete, spröde Magnete können splittern und besonders die Augen gefährden. Seitliches Herausnehmen kann die Magnetisierungsrichtung fehlausrichten. Auch vollständig montierte Rotoren von Motoren oder Generatoren lassen sich in einem Joch magnetisieren. Das senkt die erforderliche magnetische Spannung und den Magnetisierungsstrom, erfordert aber mehr Energie im Gesamtsystem. Beim Abbau des Stroms können Wirbelströme Magnete, weitere Bauteile oder die Spule erwärmen.
Beim exponentiellen Ausklingen liegt eine Diode parallel zur Spule und sperrt zunächst gegen den Kondensatorstrom. Nach dem Trennen fließt Strom durch Diode und Spule, die sich erwärmen. Diese Schaltung hilft bei Wirbelstromproblemen. Bei der Sinushalbwellen-Magnetisierung liegt die Diode in Reihe zur Spule; nach dem Trennen fließt dort kein Strom mehr, und die gespeicherte Energie wird durch Wirbelströme als Wärme in Magnet und Magnetkreis abgegeben.
Kräfte zwischen zwei Magneten
Die Kraft zwischen gegenüberliegenden Polen ist anziehend, wenn die Pole verschieden sind, und abstoßend, wenn sie gleich sind. Die Anziehung ist ungefähr 10 % stärker als die Abstoßung. Für zwei quaderförmige, mittig und axial ausgerichtete Dauermagnete wird die axiale Kraft F_z abhängig vom Abstand z näherungsweise durch F_z = d_e²/(z + d_e)² beschrieben. Dabei bezeichnet F₀ die zum Trennen beziehungsweise vollständigen Zusammendrücken notwendige Kraft und d_e den Abstand, bei dem F_z auf ein Viertel fällt.
Bei einem seitlichen Versatz x hängt die Kraft auch von L_L und L_S, den lateralen Längen des längeren und kürzeren Magneten, ab. Bei vollständiger Überlappung bleibt die axiale Kraft nahezu unabhängig vom seitlichen Abstand. Bei teilweiser Überlappung nimmt sie ungefähr linear ab; ohne Überlappung ist sie fast null. Im teilweise überlappenden Bereich lautet die angegebene Näherung F_z = [d_e²/(z + d_e)²] · [(L_L + L_S)/(2L_S) − x/L_S] · F₀. Für |x| ≥ ½(L_L + L_S) gilt F_z = 0.
Zusätzlich kann eine laterale Kraft F_x wirken. Sie ist am größten, wenn der kürzere Magnet den längeren zur Hälfte überlappt. Sind entgegengesetzte Pole axial zueinander ausgerichtet, zieht diese Kraft die Magnete seitlich übereinander; andernfalls werden sie seitlich auseinander gedrückt.
Haltbarkeit und Anwendungen
Dauermagnete behalten ihre Eigenschaften nicht unbegrenzt, können sie je nach Anwendung und Umwelteinflüssen aber über Hunderte Jahre nur langsam verlieren. Nach dem dargestellten technischen Stand benötigt ein Samarium-Magnet 700 Jahre, um die Hälfte seiner Magnetkraft zu verlieren. Die Magnetkraft von Neodym- und Ferritmagneten kann als nahezu permanent gelten.
Dauermagnete werden in zahlreichen technischen Bereichen eingesetzt. In der Elektromechanik betätigen sie Reedkontakte, erzeugen Felder in Gleichstrom-, Synchron- und elektronisch kommutierten Motoren, kleinen Generatoren und Fahrraddynamos sowie in Lautsprechern, Mikrofonen, Kopf- und Ohrhörern. Sie dienen außerdem in Drehspulmesswerken, Permanentmagnetgeneratoren wie manchen modernen Windkraftanlagen und Wirbelstrombremsen, etwa bei Achterbahnen und Stromzählern.
In der Elektronik finden sie sich in Zirkulatoren der Höchstfrequenztechnik, Magnetrons von Mikrowellenherden, Bildröhren und bestimmten spulenartigen Bauteilen. In Teilchenbeschleunigern dienen sie als Ablenk- und Fokussierungsmagnete sowie in Undulatoren und Wigglern zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung. Mechanische Anwendungen sind Haft-, Magnetfuß- und Lasthebemagnete, Lagerungen, Verschlüsse, Magnetschließen und berührungslose Kupplungen durch Wände hindurch, beispielsweise im Magnetrührer. In der Geologie werden dauerhaft gespeicherte Magnetisierungen für die Magnetostratigraphie genutzt.
