Einw Magnet (Plural Magnete, nicht Magneten, v. griech.: lithos magnes: „Stein aus Magnesia“, vgl. das Mineral Magnetit) ist ein Körper, der bestimmte andere Körper magnetisch anzieht oder abstößt. Magnetische Anziehung oder Abstoßung ist ein grundlegendes Naturphänomen - siehe dazu den Artikel Magnetismus.
Die Richtung und Stärke magnetischer Kräfte kann man durch Feldlinien anschaulich darstellen. Ein Magnet ruft ein Magnetfeld hervor und wird von diesem durchströmt. Die Oberflächenbereiche, die vom überwiegenden Teil des Magnetfeldes durchflossen werden, heißen die Pole des Magneten; nach gängiger Konvention treten die Feldlinien am „Südpol“ (meist grün dargestellt) in den Magneten ein und am „Nordpol“ (rot) aus, in den beschreibenden Formeln wird aber das normale mathematische Vorzeichen verwendet.
Man unterscheidet Dauermagnete und Elektromagnete. Bei beiden kommen Magnetwerkstoffe zum Einsatz.
Magnetische Monopole (also einzelne Nord- oder Südpole ohne ihren Widerpart) sind derzeit eher spekulativer Natur und bisher nicht experimentell nachgewiesen.
Dauermagnete/Permanentmagnete
Dauermagnete/Permanentmagnete behalten nach einer Magnetisierung diese über lange Zeit bei. Zur Herstellung dienen heute metallische Legierungen aus Eisen, Nickel und Aluminium mit Zusätzen aus Cobalt, Mangan und Kupfer oder auch keramische Oxidwerkstoffe (Bariumoxid, Eisenoxid). Besonders starke Magnete werden im Sinterverfahren aus sogenannten „seltenen Erden“ wie z. B. Cobalt-Samarium oder Neodym-Eisen-Bor hergestellt. Verwendung finden Dauermagnete in Kompassen als Magnetnadel, in Elektromotoren, in elektrischen Messinstrumenten, z. B. Drehspulinstrumenten, in Lautsprechern und Kopfhörern sowie in vielen anderen modernen Geräten wie Druckköpfen von Druckern, Festplattenlaufwerken, Aktoren und Sensoren, Metall-Separatoren u. v. m.
Elektromagnete
Elektromagnete bestehen im Allgemeinen aus einer oder zwei stromdurchflossenen Spulen mit einem Kern aus einem weichmagnetischen Werkstoff, im einfachsten Fall aus Weicheisen. Diese Anordnung führt zu einem starken Magnetfeld, siehe hierzu Elektromagnetismus. Man verwendet Elektromagnete für zahlreiche kleine und große technische Einrichtungen, z. B. fremderregte Elektromotoren und Generatoren, Relais, Schütze, Zug-, Hub- und Stoßmagnete, elektrischer Türöffner.
Wechselstrom-Elektromagnete finden sich in Membranpumpen (z. B. zur Aquarium-Belüftung) und Schwingförderern.
Die magnetische Flussdichte ist bei Elektromagneten, die ferromagnetische Werkstoffe als Kernmaterial verwenden, auf ca. <2 Tesla (Sättigungsflussdichte) begrenzt.
Bei Verwendung von supraleitenden Werkstoffen zur
Wicklung eines Elektromagneten ist es jedoch möglich, magnetische Flussdichten bis ca. 20 Tesla im Dauerbetrieb in Luft zu erreichen. Hierzu ist jedoch eine Kühlung bis zu einer Temperatur von 2,2 Kelvin notwendig; diese erzeugt man mit Kryostaten mit flüssigem Helium.
Solche Magnete sind z. B. für Kernspintomografen erforderlich.
Ohne Supraleitung kann man hohe Flussdichten durch Magnete erreichen, bei denen jede Spulenwindung aus einer Kupferscheibe (mit einem Loch in der Mitte, die später als Bohrung durch den Magneten die Probe aufnimmt) besteht, die geschlitzt und etwas aufgebogen ist. Die nächste Platte überlappt mit der vorhergehenden etwas, ist ansonsten von ihr durch eine Isolationszwischenschicht getrennt und bildet so die nächste Windung usw. Das Ganze fügt man zu einem Plattenstapel zusammen, der etwa so hoch wie breit ist. Bei Scheibendurchmessern von ca. 40 cm, Bohrungsdurchmessern von ca. 5 cm, Scheibendicken von ca. 2 mm, Stromstärken bis 20 kA, Scheibenzahlen von 250 und großem Aufwand an Wasserkühlung lassen sich so Flussdichten bis 16 Tesla erreichen, bei einem Bohrungsdurchmesser von 3 cm bis zu 19 Tesla. Hierbei verwendet man keinen Eisenkern, sondern posinioniert die zu untersuchende Probe direkt im Mittelpunkt des Magneten.
Im Impulsbetrieb erreicht man derart hohe Flussdichten auch mit ungekühlten Spulen. Bei Experimenten mit noch höheren magnetischen Flussdichten werden die Spulen bei jedem Versuch zerstört und müssen ausgetauscht werden.
Mit Hilfe eines Magnetfeldes, das von einem anderen magnetischen Körper oder durch elektrischen Strom erzeugt wird, kann man ferromagnetische Stoffe vorübergehend (sogenannter induzierter Magnetismus) oder dauerhaft selbst zu Magneten machen.
Auf diese Weise werden Dauermagnete hergestellt.
Magnetismus
Die Eigenschaften von Magneten und Magnetismus werden von der physikalischen Theorie der Elektrodynamik beschrieben, die 1873 von James Clerk Maxwell veröffentlicht wurde.
Auch viele Gesteine haben magnetische Eigenschaften. Das Erdmagnetfeld - nach dem sich der Kompass ausrichtet - entsteht jedoch nur zu einem geringen Teil durch solche magnetisierten Gesteine in der Erdkruste, sondern durch tieferliegende Strömungen von elektrisch leitender Materie, also konkreten, makroskopischen Strömen.
Arten des Magnetismus
Man unterscheidet folgende Arten des Magnetismus:
Magnetische Datenträger
Kommt ein Datenträger (Festplatte, Magnetstreifen einer Kreditkarte, Tonbandspulen o. ä.), der mit Magnetismus die Daten speichert, mit einem Magneten in Berührung, kann es zu Datenverlust kommen. Ein bekanntes Beispiel waren die Magnettische in Zügen der Deutschen Bahn AG, bei denen Laptops durch die Magnethalterungen abstürzten und die Datenverluste nicht rückgängig gemacht werden konnten. Datenwiederherstellung durch Magnetschäden ist ohne ein Backup auf einem anderen Datenträger nur mit teuren (ca. 5.000 € pro Festplatte) Wiederherstellungsverfahren möglich, wenn überhaupt.
Messtechnik
Siehe Messgerät.
Siehe auch
Weblinks
- Berechnung der magnetischen Flussdichte für Dauermagnete
- Berechnung der magnetischen Haftkraft für Dauermagnete
- verschiedene Magnetformen (z.B. Hufeisenmagnet); Einführung in den Magnetismus
- Übersicht verschiedener Neodymmagnetgrade (Br, Hcb, Hci, (BH)max, Temp)
- Nachschlagewerk mit grundlegendem und speziellem Wissen zum Magnetismus