Magnet

Wesen und Grundlagen

Ein Magnet ist ein Körper, der in seiner Umgebung ein magnetisches Feld erzeugt. In diesem Feld werden bestimmte Körper angezogen oder abgestoßen. Diese Kraftwirkung ist ein grundlegendes Naturphänomen und wird Magnetismus genannt.

Magnetfelder lassen sich durch Feldlinien darstellen, die Richtung und Stärke der magnetischen Kräfte veranschaulichen. Das Magnetfeld reicht durch die Oberfläche hindurch bis in das Innere des Magneten. Die Bereiche der Oberfläche, die vom überwiegenden Teil des Feldes durchsetzt werden, heißen Pole. Nach der üblichen Konvention treten die Feldlinien am Südpol in den Magneten ein und am Nordpol aus. Die Richtung des Magnetfeldes wird durch die Kraftwirkung auf einen Probemagneten festgelegt.

Einzelne Nord- oder Südpole ohne Gegenpol, sogenannte magnetische Monopole, sind bisher nicht experimentell nachgewiesen worden. Monopolähnliche Strukturen in bestimmten Festkörpern treten ebenfalls paarweise auf und gelten nicht als Quellen des Magnetfeldes selbst.

Magnetische Eigenschaften besitzen auch viele Gesteine. Das Erdmagnetfeld, an dem sich Kompassnadeln ausrichten, entsteht jedoch nur zu einem geringen Teil durch magnetisierte Gesteine der Erdkruste. Hauptsächlich wird es durch Strömungen elektrisch leitender Materie in tieferen Bereichen der Erde erzeugt.

Man unterscheidet Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus.

Wichtige Entwicklungsschritte

Bevor der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus bekannt war, wurden magnetische Erscheinungen mithilfe natürlicher Magneteisensteine beobachtet und genutzt. Eine wichtige Anwendung war der Kompass; sein Prinzip war bereits im vorchristlichen China und in der griechischen Antike bekannt. In der altindischen Medizin wurden Magnete außerdem eingesetzt, um eingedrungene Eisenspitzen aus Wunden zu entfernen.

Gegen 1200 dokumentierte Alexander Neckam in Europa die Magnetisierung von Kompassnadeln. Petrus Peregrinus de Maricourt beschrieb 1269 erstmals die Polarität von Magneten. William Gilbert untersuchte den Magnetismus systematisch und experimentell und erkannte unter anderem die Magneteigenschaft der Erdkugel. Eisenstäbe konnten durch Bestreichen mit natürlichen Magneten magnetisiert werden; diese Methode wurde 1730 auch von Servington Savery angewandt.

Den entscheidenden Übergang zur technischen Nutzung elektrischer Magnete markierte Hans Christian Ørsteds Entdeckung von 1820, dass elektrischer Strom und Magnetismus zusammenhängen. Sie schuf die Voraussetzung für die Entwicklung der Elektrotechnik.

Dauermagnete

Dauermagnete, auch Permanentmagnete genannt, behalten ihre Magnetisierung nach dem Magnetisieren über lange Zeit. Sie werden heute aus metallischen Legierungen mit Eisen, Nickel und Aluminium sowie Zusätzen von Cobalt, Mangan und Kupfer hergestellt. Weitere Werkstoffe sind keramische Barium- oder Strontiumhexaferrite. Besonders starke Dauermagnete entstehen im Sinterverfahren aus seltenen Erden, beispielsweise Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor.

Dauermagnete werden unter anderem als Magnetnadeln in Kompassen, in Elektromotoren, elektrischen Messinstrumenten wie Drehspulinstrumenten, Lautsprechern, Kopfhörern, Mikrofonen und Gitarrentonabnehmern eingesetzt. Weitere Anwendungen gibt es in Druckköpfen von Nadeldruckern, Festplattenlaufwerken, Aktoren, Sensoren und Metall-Abscheidern.

Als einfache Haltemagnete befestigen sie Gegenstände an Eisen oder Stahl, etwa Möbeltüren, Notizen an Magnettafeln, Leuchten an Autoblech oder Smartphones an Magnethalterungen.

Ferromagnetische Stoffe können durch ein äußeres Magnetfeld oder durch elektrischen Strom vorübergehend magnetisiert werden. Dieser Vorgang heißt induzierter Magnetismus. Durch die Ausrichtung ihrer Weiss-Bezirke, also kleiner magnetischer Bereiche im Material, können sie auch dauerhaft zu Magneten werden. Auf diese Weise werden übliche Dauermagnete hergestellt.

Elektromagnete und technische Nutzung

Elektromagnete bestehen im Allgemeinen aus einer oder zwei stromdurchflossenen Spulen. Meist befindet sich darin ein Kern aus weichmagnetischem Material, im einfachsten Fall aus Weicheisen. Die Spule erzeugt zusammen mit dem Kern ein starkes Magnetfeld.

Elektromagnete werden in fremderregten Elektromotoren und Generatoren, Relais, Schützen sowie Zug-, Hub- und Stoßmagneten verwendet. Auch elektrische Türöffner arbeiten mit Elektromagneten. Wechselstrom-Elektromagnete kommen beispielsweise in Membranpumpen zur Aquarium-Belüftung und in Schwingförderern vor.

Ablenkspulen ohne Kern, etwa in einer Kathodenstrahlröhre, wirken als Luftspulen und sind ebenfalls Elektromagnete. Elektro-Magnetfilter können ferromagnetische Feststoffe aus Flüssigkeiten abtrennen. Diese bestehen überwiegend aus Eisenoxiden und werden beispielsweise aus Umlaufkondensaten von Kraftwerken oder Umlaufwässern von Fernheiznetzen herausgefiltert.

Grenzen der Flussdichte und Supraleitung

Die magnetische Flussdichte beschreibt die Stärke des Magnetfeldes und wird in Tesla angegeben. Ab etwa 2 T, der sogenannten Sättigungsfeldstärke, erreichen übliche ferromagnetische Kernwerkstoffe eines Elektromagneten die Sättigung. Sie können das Feld dann nicht weiter verstärken. Ohne Kern, beispielsweise mit einer Luftspule, sind deutlich größere Flussdichten möglich, allerdings mit erheblich höherem Energieaufwand.

Werden supraleitende Werkstoffe für die Wicklung verwendet, können Elektromagnete im Dauerbetrieb Flussdichten bis etwa 20 Tesla erzeugen. Wegen des starken Absinkens der Sprungtemperatur bei solchen Magnetfeldern und Stromdichten müssen die Spulen in mit flüssigem Helium gefüllten Kryostaten durch Siedekühlung bei Unterdruck auf deutlich unter 4 K gekühlt werden.

Solche Magnete werden unter anderem für die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), Kernspintomografen und kontinuierlich arbeitende Kernfusionsreaktoren benötigt. Im Jahr 2009 besaß der stärkste kommerziell erhältliche NMR-Magnet eine Flussdichte von 23,5 T; er wurde von Bruker angeboten.

Ablenkung und Gefahren für Datenträger

Ein Ablenkmagnet ist meist ein Elektromagnet, der einen Strahl geladener Teilchen, etwa Elektronen, in eine andere Richtung lenkt. Auch eine kernlose Spule kann dafür eingesetzt werden. Die Ablenkung beruht auf der Lorentzkraft: Sie zwingt bewegte elektrische Ladungen in einem Magnetfeld zu einer Richtungsänderung. In einem homogenen Feld bewegen sich die Teilchen dabei auf einem Kreisbogen quer zur Magnetfeldrichtung.

Das Feld kann dauerhaft durch einen Permanentmagneten oder induktiv durch einen Elektromagneten erzeugt werden. Die induktive Variante ermöglicht schnelle Änderungen der Feldstärke. Ablenkmagnete dienen vor allem zur Fokussierung und Lenkung von Strahlen. Sie werden in Kathodenstrahlröhren, Elektronenmikroskopen, Elektronenstrahl-Schweißanlagen sowie in Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Der Ablenkwinkel kann bei bekannter Ladung außerdem Rückschlüsse auf die Masse eines Teilchens erlauben; darauf beruht die Massenspektrometrie.

Starke Magnete können magnetisch aufzeichnende Datenträger beschädigen. Ihr Magnetfeld kann die gespeicherten magnetischen Informationen überschreiben und dadurch Datenverluste verursachen. Betroffen sein können Festplatten, Magnetstreifen von Kreditkarten und Tonbandspulen. Im Artikel werden Magnethalterungen an Klapptischen von Interregio-Zügen der Deutschen Bahn AG als Beispiel genannt: Sie konnten Festplatten aufliegender Laptops löschen und beschädigen. Auch an Ladenkassen können starke Magnete von Diebstahlsicherungen EC- oder Kreditkarten zerstören.