%category-title% Shop » Günstig online kaufen

Alle Produkte

Am häufigsten gekauft

Top bewertete Produkte

Ratgeber

Magnetismus

Magnetismus und magnetische Kräfte sind uns allen vertraut. Aber was steckt eigentlich dahinter? In unserem Ratgeber lernen Sie die wichtigsten Grundlagen des Magnetismus kennen ⎼ ohne Formeln und allzu tiefen Einstieg in die Physik.

Was ist Magnetismus?
Die wichtigsten Eigenschaften des Magnetismus

Was ist Magnetismus?

Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, das sich in der Kraftwirkung zwischen Magneten oder anderen magnetisierten oder magnetisierbaren Objekten zeigt. Außerdem übt Magnetismus eine Kraft auf bewegte elektrische Ladungen aus. Ursprung ist ein Magnetfeld, das von den Objekten selbst oder auf elektrische Weise erzeugt wird.

Schon in der Antike wurden magnetische Magnetitkristalle entdeckt. Magnetit ist wie Magnesium nach Magnesia benannt, einem Gebiet in Thessalien im alten Griechenland. Verantwortlich für den Magnetismus von Magnetit ist das darin vorhandene Eisen, lateinisch „Ferrum“. Daraus resultiert auch der Begriff „Ferromagnetismus“. Die bekanntesten Effekte treten bei ferromagnetischen Materialien auf. Sie werden von Magnetfeldern stark angezogen und lassen sich zu Dauermagneten magnetisieren, um dann selbst Magnetfelder zu erzeugen. Nur wenige Stoffe sind ferromagnetisch, die häufigsten sind Eisen, Kobalt und Nickel sowie deren Legierungen, unter anderem mit seltenen Erden wie Gadolinium, Neodym oder Samarium.

Magnete richten sich nach dem Magnetfeld der Erde aus

Es gibt natürliche und künstliche Magnete, sie alle besitzen zwei Pole, den Nordpol und den Südpol. Der Nordpol eines Magneten stößt den Nordpol eines anderen Magneten ab und zieht den Südpol eines anderen Magneten an. Zwei Südpole stoßen sich gegenseitig ab.

Da die Erde ebenfalls ein Magnetfeld besitzt – mit ihrem magnetischen Südpol in der Nähe des geografischen Nordpols und ihrem magnetischen Nordpol in der Nähe des geografischen Südpols – wird ein frei rotierender Magnet immer die Nord-Süd-Richtung einnehmen. Daraus leiten sich die Namen der Pole eines Magneten ab. Der Einfachheit halber, allerdings etwas verwirrend, nennt man den Südpol des Erdmagneten den magnetischen Nordpol und den Nordpol des Erdmagneten den magnetischen Südpol.

Ein in der Physik verwandtes Phänomen ist der Elektromagnetismus, ein durch elektrischen Strom erzeugter Magnetismus. Elektromagnetismus beschreibt ein den gesamten Raum umfassendes Vektorfeld, das aus zwei Komponenten besteht: dem elektrischen und dem magnetischen Feld. Die beiden Komponenten bewegen sich immer senkrecht zueinander mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum. Zur bildhaften Erklärung dieser Anordnung wird gerne die Rechte-Hand-Regel herangezogen, eine gängige Eselsbrücke für das Verständnis der Orientierung von Achsen im dreidimensionalen Raum.

Die meisten der verschiedenen Links- und Rechtsregeln ergeben sich aus der Tatsache, dass die drei Achsen des dreidimensionalen Raums zwei mögliche Orientierungen haben. Man kann dies sehen, wenn man die Hände mit den Handflächen nach außen und zusammenhält, wobei die Finger gekrümmt und der Daumen ausgestreckt ist. Wenn die Krümmung der Finger eine Bewegung von der ersten oder X-Achse zur zweiten oder Y-Achse darstellt, dann kann die dritte oder Z-Achse entlang der beiden Daumen zeigen.

Für einen Elektromagneten heißt das: Die Feldlinien der Magnetspule zeigen alle in die positive Z-Richtung. Da es keinen magnetischen Monopol gibt, treten die Feldlinien am +Z-Ende aus, machen eine Schleife außerhalb der Helix und treten am -Z-Ende wieder ein. Das +Z-Ende, an dem die Linien austreten, ist als Nordpol definiert. Wenn die Finger der rechten Hand in Richtung der Kreiskomponente des Stroms gekrümmt sind, zeigt der rechte Daumen auf den Nordpol.

Die wichtigsten Eigenschaften des Magnetismus

In einem paramagnetischen Stoff existieren ungepaarte Elektronen, das heißt, Atom- oder Molekülorbitale enthalten nur ein einziges Elektron. Während gepaarte Elektronen ihre magnetischen Momente in entgegengesetzte Richtungen ausrichten müssen – wodurch sich ihre Magnetfelder aufheben – ist ein ungepaartes Elektron frei, sein magnetisches Moment in jede Richtung zu drehen. Wird ein äußeres Magnetfeld angelegt wird, neigen diese magnetischen Momente dazu, sich in die gleiche Richtung wie das angelegte Feld auszurichten, wodurch das Magnetfeld verstärkt wird.
Ein Ferromagnet besitzt, wie ein paramagnetischer Stoff, ungepaarte Elektronen. Zusätzlich zur Tendenz der Elektronen-Momente, sich parallel zu einem angelegten Feld auszurichten, gibt es in diesen Materialien jedoch auch eine Tendenz, sich parallel zueinander auszurichten, um einen energieärmeren Zustand einzunehmen. So richten sich die Elektronen-Momente im Material auch in Abwesenheit eines angelegten Feldes spontan parallel zueinander aus. Diese Eigenschaft des Ferromagnetismus führte zur Entwicklung besonders starker Permanentmagnete beispielsweise in Legierungen mit dem Seltene-Erden-Metall Neodym.

Für jeden ferromagnetische Stoff existiert eine individuelle Temperatur, die sogenannte Curie-Temperatur, oberhalb derer er seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert. Das liegt daran, dass die bei hohen Temperaturen einsetzende „Tendenz zur Unordnung“ (Entropie) die durch ferromagnetische Ordnung geschaffene Energieabsenkung überwindet.
Diamagnetismus tritt in allen Materialien auf. Er beschreibt die Tendenz eines Stoffs, sich einem angelegten Magnetfeld zu widersetzen und daher von diesem abgestoßen zu werden. In einem reinen diamagnetischen Material gibt es keine ungepaarten Elektronen, so dass die magnetischen Momente der Elektronen keinen Masseeffekt erzeugen können. In diesen Fällen entsteht die Magnetisierung durch die Orbitalbewegungen der Elektronen, was klassisch wie folgt verstanden werden kann:

Wenn ein Material in ein Magnetfeld gebracht wird, erfahren die um den Kern kreisenden Elektronen zusätzlich zu ihrer Coulomb-Anziehung zum Kern eine Lorentz-Kraft aus dem Magnetfeld heraus. Je nachdem, in welche Richtung das Elektron kreist, kann diese Kraft die Zentripetalkraft auf die Elektronen erhöhen und sie zum Kern hinziehen, oder sie kann die Kraft verringern und sie vom Kern wegziehen. Dieser Effekt erhöht systematisch die orbitalen magnetischen Momente, die entgegengesetzt zum Feld ausgerichtet waren, und verringert die parallel zum Feld ausgerichteten. Daraus resultiert ein kleines magnetisches Volumenmoment, das entgegengesetzt zum angelegten Feld ausgerichtet ist.

Die Momente der Atome in einem ferromagnetischen Magnet bewirken, dass sie sich wie winzige Dauermagnete verhalten. Sie haften aneinander und ordnen sich in kleinen Regionen mit mehr oder weniger gleichmäßiger Ausrichtung an. Diese „Häufchen“ nennen Physiker magnetische Domänen oder Weiss-Domänen. Magnet-Domänen lassen sich mit einem Magnetkraft-Mikroskop beobachten, um magnetische Domänengrenzen zu erkennen. Wenn eine Domäne zu viele Moleküle enthält, wird sie instabil und teilt sich in zwei Domänen, die in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, so dass sie noch stabiler aneinander haften. Wird das magnetisierende Feld entfernt, können die Domänen nicht in einen unmagnetisierten Zustand zurückkehren. Dies führt dazu, dass das ferromagnetische Material magnetisiert wird und einen Permanentmagneten bildet.
Wie beim Ferromagnetismus behalten Ferromagnete ihre Magnetisierung auch bei Abwesenheit eines Feldes bei. Benachbarte Paare von Elektronenspins neigen aber dazu, in entgegengesetzte Richtungen zu zeigen. Diese beiden Eigenschaften sind nicht widersprüchlich, da in der optimalen geometrischen Anordnung mehr magnetisches Moment von dem Untergitter der Elektronen ausgeht, das in eine Richtung zeigt, als von dem Untergitter, das in die entgegengesetzte Richtung zeigt.

Die meisten Ferrite sind keramisch und elektrisch nicht oder schlecht leitend. Der erste entdeckte magnetische Stoff, Magnetit, ist ein Ferrit und wurde ursprünglich für einen Ferromagneten gehalten. Der französische Physik-Nobelpreisträger Louis Néel widerlegte dies jedoch, nachdem er den Ferromagnetismus entdeckt hatte.
Ein Elektromagnet ist ein Magnet, bei dem das Magnetfeld durch einen elektrischen Strom erzeugt wird. Der Magnetismus verschwindet, wenn der Strom abgeschaltet wird. Elektromagnete bestehen in der Regel aus einer Spule mit zahlreichen eng beieinander liegenden Drahtwindungen, die das Magnetfeld erzeugt. Die Drahtwindungen sind oft um einen Magnet gewickelt, der aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material wie Eisen beziehungsweise Ferrit besteht. Der Magnetkern konzentriert die magnetische Flussdichte und verwandelt sich so in einen deutlich stärkeren Magneten.

Hauptvorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Dauermagneten: Das Magnetfeld lässt sich schnell verändern, indem die Menge des elektrischen Stroms in der Spule gesteuert wird. Im Gegensatz zu einem Dauermagneten benötigt ein Elektromagnet jedoch eine kontinuierliche Stromzufuhr, um das Magnetfeld aufrechtzuerhalten.

Elektromagnete werden häufig als Komponenten elektrischer Geräte verwendet, wie zum Beispiel in Motoren, Generatoren, Relais, Lautsprechern, Festplatten, MRT-Geräte, wissenschaftliche Instrumente und magnetische Trenngeräte. Elektromagnete werden auch in der Industrie beispielsweise zum Aufnehmen und Bewegen von schweren Eisenobjekten wie Eisenschrott und Stahl eingesetzt.