Magnet

Ein Magnet (Plural Magnete; vergleiche altgriechisch λίθος μάγνης líthos 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.

Magnetfeldlinien um einen Stabmagneten

Eisenfeilspäne auf Papier, die sich entsprechend dem Feld eines darunter befindlichen Stabmagneten ausgerichtet haben

Grundlagen

→ Hauptartikel: 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.

Magnetische Monopole (also einzelne Nord- oder Südpole ohne ihren Widerpart) dagegen sind derzeit eher spekulativer Natur und konnten bis vor kurzem nicht experimentell nachgewiesen werden. Neuere Experimente allerdings^[1][2] kündigen hier eine Änderung an.

Auch viele Gesteine haben magnetische Eigenschaften. Das Erdmagnetfeld, nach dem sich Kompassnadeln ausrichten, 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.

Man unterscheidet folgende Arten des Magnetismus:

• Diamagnetismus
• Paramagnetismus
• Ferromagnetismus
• Antiferromagnetismus
• Ferrimagnetismus

Geschichte

Bevor der Zusammenhang von Magnetismus und Elektrizität bekannt wurde, waren magnetische Phänomene und Nutzungen nur unter Zuhilfenahme natürlicher Magneteisensteine zu beobachten und zu verwenden. Die praktische Anwendung galt ausschließlich dem Kompass. Dessen Prinzip war schon im vorchristlichen China und in der griechischen Antike bekannt. Nach dem römische Dichter Lukrez (De rerum natura) wurden die Magneteisensteine nach der Landschaft Magnesia in Griechenland benannt, wo diese Steine schon sehr früh gefunden wurden.^[3]

Bei Augustinus wird das Bild vom Magneten noch allegorisch verwendet.^[4] Der mittelalterliche englische Theologe und Naturforscher Alexander Neckam veröffentlichte gegen 1200 die frühesten europäischen Aufzeichnungen über die Magnetisierung von Kompassnadeln und Petrus Peregrinus de Maricourt beschrieb 1269 erstmals die Polarität von Magneten. Grundlegendes zum Magnetismus, z. B. die Kenntnis von der Magneteigenschaft der Erdkugel trug William Gilbert bei, indem er systematisch und experimentierend vorging,^[5] nach seinem Vorschlag konzentrierte man die Kraftlinien an den Polen der Magnetsteine mit kleinen Eisenkappen. Die ungebrochene Faszination des auch im 18. Jahrhundert in seinen Ursachen noch unklaren Magnetismus spiegelt der lange Artikel Magnet in der Oekonomischen Encyclopädie von Johann Georg Krünitz.^[6]

Dauermagnet

→ Hauptartikel: Dauermagnet

Handmagnet zum Abtrennen magnetischer Schwerminerale

Dauermagnete (auch Permanentmagnete genannt) 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 Werkstoffe (Barium- bzw. Strontiumhexaferrit). Besonders starke Magnete werden im Sinterverfahren aus seltenen Erden hergestellt, wie zum Beispiel Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor. Verwendung finden Dauermagnete in Kompassen als Magnetnadel, in Elektromotoren, in elektrischen Messinstrumenten, zum Beispiel Drehspulinstrumenten, in Lautsprechern und Kopfhörern sowie in vielen anderen modernen Geräten wie Druckköpfen von Druckern (bei neueren Ausführungen werden sie aber mit Piezokristallen betrieben), Festplattenlaufwerken, Aktoren und Sensoren, Metall-Abscheidern.

Dauermagnetherstellung

Mit Hilfe eines von einem anderen magnetischen Körper oder durch elektrischen Strom erzeugten Magnetfeldes können ferromagnetische Stoffe vorübergehend (sogenannter induzierter Magnetismus) oder dauerhaft durch Ausrichtung der Weiss-Bezirke selbst zu Magneten werden.

Auf diese Weise werden übliche Dauermagnete hergestellt.

Elektromagnet

→ Hauptartikel: Elektromagnet

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.

Mit Elektro-Magnetfiltern können ferromagnetische Feststoffe aus Flüssigkeiten abgetrennt werden. Diese Feststoffe bestehen überwiegend aus Eisenoxiden. Diese werden beispielsweise aus den Umlaufkondensaten von Kraftwerken und den Umlaufwässern von Fernheiznetzen abfiltriert.

Magnetische Flussdichte

Ab einer magnetischen Flussdichte von etwa 2 T (Sättigungsfeldstärke) sind die üblichen ferromagnetischen Werkstoffe für den Kern eines Elektromagneten in der Sättigung und können nicht mehr zur Verstärkung des Feldes beitragen. Ohne die Unterstützung durch den Kern können z. B. wie in einer Luftspule auch bedeutend größere Flussdichten erreicht werden, allerdings mit viel höherem Energieaufwand.

Supraleitung

Bei Verwendung von supraleitenden Werkstoffen zur Wicklung eines Elektromagneten ist es möglich, magnetische Flussdichten bis ca. 20 Tesla im Dauerbetrieb zu erreichen. Da die Sprungtemperatur der Supraleitung bei solchen Magnetfeldern und Stromdichten stark absinkt, müssen die Spulen dazu in mit flüssigem Helium gefüllten Kryostaten durch Siedekühlung bei Unterdruck auf deutlich unter 4 K gekühlt werden.

Solche Magnete sind z. B. für Kernresonanzspektroskopie,Kernspintomografen oder kontinuierlich arbeitende Kernfusionsreaktoren erforderlich. Der stärkste kommerziell erhältliche NMR-Magnet hat 2009 23,5 T (Bruker).

Gesundheitliche Aspekte

Mehrere verschluckte Magnete können durch die zwischen ihnen wirksamen Anziehungskräfte lebensbedrohliche Verletzungen im Magen-Darmtrakt verursachen.

Wirkung auf magnetische Datenträger

Kommt ein magnetisch aufzeichnender Datenträger (Festplatte, Magnetstreifen einer Kreditkarte, Tonbandspulen o. ä.), in die Nähe eines stärkeren Magneten, kann das einwirkende Magnetfeld zu Datenverlusten durch Überschreiben der magnetischen Informationen des Datenträgers führen. Ein bekanntes Beispiel dafür waren die Magnettische in Zügen der Deutschen Bahn AG, bei denen Laptops durch die Magnethalterungen beschädigt wurden und die Datenverluste nicht rückgängig gemacht werden konnten. Oft kommt es auch an Ladenkassen zur Zerstörung von EC-/Kreditkarten, weil dort manche Waren-Diebstahlsicherungen mittels eines starken Magneten entfernt werden.

Fachliteratur

• Klaus D. Linsmeier, Achim Greis: Elektromagnetische Aktoren. Physikalische Grundlagen, Bauarten, Anwendungen. In: Die Bibliothek der Technik, Band 197. Verlag Moderne Industrie, ISBN 3-478-93224-6
• Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982, ISBN 3-446-13553-7
• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 2000, ISBN 3-8171-1628-4
• Das grosse Buch der Technik. Verlag für Wissen und Bildung, Verlagsgruppe Bertelsmann GmbH, Gütersloh, 1972
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag – Europa – Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Horst Kuchling: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 1982

Siehe auch

• Ablenkmagnet
• Magnetklebeband
• Halbach-Array

Weblinks

 Commons: Magnet – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Magnet – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Versuche
• Magnettechnik, Lexikon Magnetismus, Magnetisierungsmöglichkeiten, Sicherheitshinweise für den Umgang mit Dauermagneten

Einzelnachweise

1. ↑ D. J. P. Morris et al: Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice (englisch)
2. ↑ Forscher entdecken lang gesuchte Magnetismus-Exoten
3. ↑ Lukrez: Über die Natur der Dinge; Buch 6: Magnetismus
4. ↑ Augustinus, De civitate Dei, XXI, Kap. 4 (Wirksamkeit der Magnetkraft durch ein Silberblech hindurch)
5. ↑ William Gilbert, De magnete, London 1600
6. ↑ Band 82, S. 383 - 431: http://www.kruenitz1.uni-trier.de/xxx/m/km00361.htm