Magnetismus

Magnete kennst du vom Kühlschrank, aus dem Kompass und aus jedem Lautsprecher. In der Elektronik ist Magnetismus allgegenwärtig: in Spulen, Transformatoren, Relais, Motoren, Festplatten und Hall-Sensoren. Bevor es in Elektromagnetismus um Magnetfelder aus Strom geht, lohnt sich ein Blick auf die Grundlagen am Dauermagneten.

Pole und Kräfte

Jeder Magnet hat zwei Pole, die man Nordpol (N) und Südpol (S) nennt. Ein frei drehbar aufgehängter Magnet richtet sich so aus, dass sein Nordpol ungefähr nach geografisch Norden zeigt – daher der Name. Zwischen Polen wirken Kräfte:

• Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
• Ungleichnamige Pole ziehen sich an.
• Unmagnetisiertes Eisen, Nickel oder Kobalt wird von beiden Polen angezogen.

Anders als bei elektrischen Ladungen gibt es keine einzelnen Pole. Zerbrichst du einen Stabmagneten, entstehen zwei vollständige Magnete mit je einem Nord- und Südpol – egal, wie oft du teilst.

Übrigens: Weil der Nordpol der Kompassnadel nach Norden zeigt, liegt in der Arktis physikalisch ein magnetischer Südpol. Das Erdmagnetfeld ist mit etwa 50 µT in Mitteleuropa schwach, reicht aber für jeden Kompass und für die Lagesensoren im Smartphone.

Dauermagnete gibt es in vielen Bauformen – als Stab, Hufeisen (U-Form), Block, Scheibe oder Ring. Die Form bestimmt, wo die Pole liegen und wie das Feld verläuft: Beim Hufeisen stehen sich die Pole nah gegenüber, das Feld dazwischen ist stark und fast gleichmäßig.

Magnetfeld und Feldlinien

Den Raum um einen Magneten, in dem Kräfte auf andere Magnete und auf Eisen wirken, nennt man Magnetfeld. Streust du Eisenfeilspäne auf ein Blatt über einem Magneten, ordnen sie sich zu Linien – den Feldlinien. Für sie gilt:

• Außerhalb des Magneten laufen sie vom Nord- zum Südpol, innerhalb vom Süd- zurück zum Nordpol.
• Sie sind geschlossen – sie haben weder Anfang noch Ende.
• Sie schneiden sich nie.
• Je dichter sie liegen, desto stärker ist das Feld. An den Polen ist es am stärksten.

Diese Geschlossenheit ist der wichtigste Unterschied zum elektrischen Feld, dessen Linien an Ladungen beginnen und enden. Wie man die Stärke eines Magnetfelds mit Flussdichte und Feldstärke beziffert, zeigt Magnetische Größen und Einheiten.

Woher der Magnetismus kommt

Die Ursache des Magnetismus sind bewegte Ladungen. In jedem Atom erzeugen die Elektronen durch ihren Bahndrehimpuls und vor allem durch ihren Eigendrehimpuls (Spin) winzige magnetische Momente. In den meisten Stoffen heben sich diese Momente gegenseitig auf. Je nachdem, wie sie zusammenwirken, unterscheidet man drei Gruppen:

Für die Technik zählen fast nur die ferromagnetischen Stoffe. In ihnen richten sich die Momente benachbarter Atome von selbst gleich aus und bilden kleine Bereiche einheitlicher Magnetisierung, die Weiss'schen Bezirke (Domänen). In einem unmagnetisierten Stück Eisen zeigen diese Bezirke kreuz und quer, ihre Wirkungen heben sich auf. Legst du ein äußeres Feld an, wachsen die passend ausgerichteten Bezirke auf Kosten der anderen – das Eisen wird magnetisch.

Hartmagnetisch und weichmagnetisch

Wie viel Magnetisierung nach dem Abschalten des äußeren Felds übrig bleibt, unterscheidet zwei Werkstoffgruppen:

• Weichmagnetische Stoffe (Elektroblech, Ferrit, Permalloy) lassen sich leicht ummagnetisieren und verlieren ihre Magnetisierung fast vollständig. Sie sind ideal für Transformator- und Spulenkerne, weil bei jedem Ummagnetisieren wenig Energie verloren geht.
• Hartmagnetische Stoffe (Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Kobalt, Hartferrit) behalten eine hohe Remanenz und brauchen eine große Koerzitivfeldstärke, um entmagnetisiert zu werden. Aus ihnen bestehen Dauermagnete in Motoren, Lautsprechern und Sensoren. Neodym-Magnete verdanken ihre Stärke Seltenen Erden.

Trägt man die Magnetisierung über dem äußeren Feld auf, entsteht eine Schleife, die Hystereseschleife. Ihre Fläche entspricht der Energie, die pro Ummagnetisierung in Wärme übergeht – schmal bei weichmagnetischen, breit bei hartmagnetischen Werkstoffen.

Temperatur und Entmagnetisierung

Wärme bringt die ausgerichteten Momente durcheinander. Oberhalb der Curie-Temperatur verliert ein ferromagnetischer Stoff seine Ordnung vollständig und verhält sich nur noch paramagnetisch. Für Eisen liegt sie bei 768 °C, für Nickel bei rund 355 °C. Manche Neodym-Magnete verlieren schon ab 80 °C dauerhaft an Stärke, wenn sie nicht für höhere Temperaturen spezifiziert sind.

Neben dem Ausglühen gibt es zwei weitere Wege, einen Magneten zu schwächen: starke Erschütterungen (Schläge, Fallenlassen), die die Bezirke durcheinanderbringen – bei alten Stahlmagneten deutlich, bei modernen Neodym- und Ferritmagneten kaum –, und ein magnetisches Wechselfeld, das man langsam auf null zurückfährt. Dabei wird der Werkstoff immer wieder ummagnetisiert, mit jedem Durchgang etwas schwächer, bis die Bezirke wieder regellos liegen. So arbeiten Entmagnetisierdrosseln für Werkzeuge und die Entmagnetisierung alter Röhrenmonitore.

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