Dauermagnetismus

Ein Dauermagnet (auch: Permanentmagnet) ist ein Magnet aus einem Stück eines magnetisierbaren Materials, zum Beispiel Eisen, Kobalt oder Nickel, welches sein statisches Magnetfeld behält, ohne dass man wie bei Elektromagneten einen elektrischen Stromfluss benötigt.

Dauermagnete besitzen an ihrer Oberfläche je einen oder gleichviele gleichnamige Pole (Nord- und Südpol).

Grundlagen

Hysteresekurve eines Ferromagneten

Ein Dauermagnet kann durch die Einwirkung eines Magnetfeldes auf ein ferromagnetisches Material mit einer großflächigen Hysteresekurve (sogenanntes hartmagnetisches Material) erzeugt werden.

Durch ein abklingendes magnetisches Wechselfeld, Erwärmung über die Curie-Temperatur oder Stoßeinwirkung kann es wieder entmagnetisiert werden.

Die im Alltag bekannteste Form sind Ferritmagnete, z. B. als Haftmagnet oder – mit Eisen-Polschuhen versehen – als Schranktür-Verschluss.

• Ein Permanentmagnet übt auf alle ferromagnetischen Stoffe wie z. B. Eisen eine Anziehung aus.
• Zwei Permanentmagnete ziehen sich je nach der Lage ihrer Pole zueinander an oder sie stoßen sich ab.

Entlang dem Umfang magnetisierte Ringe besitzen jedoch keine Pole (siehe z. B. Kernspeicher) und üben keine Kräfte aus - sie sind zwar magnetisiert, werden aber nicht als Dauermagnete bezeichnet. Magnetisierte Schichten von Magnetbändern, Magnetstreifen oder Festplatten besitzen zwar Pole, werden aber ebenfalls nicht als Dauermagnet bezeichnet.

Die Hysteresekurven von magnetisierbaren, also hartmagnetischen Materialien sind besonders breit und ähneln einem Rechteck, bei dem die fast senkrechten Kurven die Feldstärkeachse bei großen Feldstärken schneiden.

Bei weichmagnetischen Werkstoffen dagegen, wie zum Beispiel bei Blechen oder Ferriten für Transformator-Kerne, ist die Hysteresekurve sehr schmal und schneidet die Feldstärkeachse bei kleinen Feldstärkewerten. Solche Werkstoffe sind nicht für Dauermagnete geeignet.

Kenngrößen

Koerzitivfeldstärke H_C

Die Feldstärke, die aufgewendet werden muss, um den Magneten vollständig zu entmagnetisieren (Flussdichte B=0). Schnittpunkt der Hysteresekurve mit der Achse der Feldstärke H. Je größer die Koerzitivfeldstärke, desto größer ist die Beständigkeit des Magneten gegen Entmagnetisierung durch äußere Felder.

Remanenz B_R

Mit Remanenz bezeichnet man die Flussdichte, die ohne äußeres Feld auftritt. Schnittpunkt der Hysteresekurve mit der Achse der Flussdichte B.

Energiedichte

Das Energieprodukt, auch BH-Produkt genannt, ist die gesamte im Magneten gespeicherte Feldenergie. Die Energiedichte ist die auf das Volumen des Magneten bezogene magnetische Energie.

Maximale Betriebstemperatur

Während die Curietemperatur den Punkt des völligen, (in bezug auf die Temperatur meist irreversiblen) Verlustes der Dauermagneteigenschaft angibt, ist für den praktischen Einsatz die maximale Betriebstemperatur, die meist deutlich unterhalb der Curietemperatur liegt, relevant. Bis zu dieser Temperatur können die Dauermagnete ohne nennenswerte irreversible Verluste betrieben werden.

Dauermagnetmaterialien

Stahl

Mit Stählen wurden früher Dauermagnete erzeugt. Sie sind aber sehr schwach und lassen sich sehr leicht entmagnetisieren.

Ferrite

Ferritmagnete sind kostengünstig, aber relativ schwach. Typische Anwendung sind Haftmagnete und Feldmagnete von Gleichstrommotoren und elektrodynamischen Lautsprechern.

Bismanol

Bismut und Mangan bilden ebenfalls ein Permanentmagnetmaterial

Aluminium-Nickel-Cobalt

AlNiCo-Magnete bestehen aus Eisenlegierungen mit Aluminium, Nickel und Cobalt als Hauptlegierungselemente. Diese Materialien sind bis 500 °C einsetzbar, haben aber eine relativ geringe Energiedichte und Koerzitivfeldstärke. Die Remanenz ist höher als bei den Ferritmagneten. Die Herstellung erfolgt durch Gießen oder pulvermetallurgische Verfahren. Sie haben eine gute Korrosionsbeständigkeit, sind aber zerbrechlich und hart.

Samarium-Cobalt

Samarium-Cobalt (SmCo) ermöglicht starke Dauermagnete mit hoher Energiedichte und hoher Einsatztemperatur. Nachteilig ist der hohe Preis.

Neodym-Eisen-Bor

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ermöglicht sehr starke Magnete zu verhältnismäßig günstigen Kosten. Die Herstellung erfolgt über pulvermetallurgische Verfahren, heute aber vermehrt als kunststoffgebundene Magnete. Lange Zeit waren die Einsatztemperaturen auf maximal 60–120 °C begrenzt. Bei einigen neueren Entwicklungen werden Einsatztemperaturen bis 200 °C angegeben.

Anwendungen

Mechanik

• Lagerungen
• Haftmagnete
• durch Wandungen hindurch wirkende Kupplungen

Elektromechanik

• Elektromotoren, z. B. selbsterregte Gleichstrommotoren, Läufer kleiner Synchronmotoren (Permanentmagnet-Synchronmotor, PMSM), Läufer elektronisch kommutierter Motoren
• Läufer kleinerer Generatoren (z. B. Fahrraddynamo)
• Feldmagnete von Lautsprechern und dynamischen Mikrofonen
• Betätigungsmagnete für Reedkontakte
• Felderzeugung in Drehspulmesswerken
• Dämpfung (Wirbelstrombremse) in Ferraris-Stromzählern

Elektronik

• Feldmagnete für Zirkulatoren in der Höchstfrequenztechnik
• Korrekturmagnete an Bildröhren
• Feldmagnete von Magnetrons

Fachliteratur

• Prof. Dr. Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 2000, ISBN 3-8171-1628-4
• Dr. Ing. Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982, ISBN 3-446-13553-7
• Prof. Dr. Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, 1989, ISBN 3-8085-3018-9

Siehe auch

• Deviation (Navigation)