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Der Magnet

Ein Magnet (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.

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.

Dauermagnet

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 Oxidwerkstoffe (Bariumoxid, Eisen(II,III)-oxid). Besonders starke Magnete werden im Sinterverfahren aus sogenannten „seltenen Erden“ wie zum Beispiel Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor hergestellt. 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, Festplattenlaufwerken, Aktoren und Sensoren, Metall-Separatoren.


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.

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 in Kryostaten mit flüssigem Helium.
Solche Magnete sind z. B. für Kernspintomografen erforderlich.
Magnetscheibe aus einem 16-T-Magneten für 20 kA, ca. 40 cm Durchmesser, mit Durchbrennstelle von einem Crash
Magnetscheibe aus einem 16-T-Magneten für 20 kA, ca. 40 cm Durchmesser, mit Durchbrennstelle von einem Crash

Ohne Supraleitung kann man hohe Flussdichten durch Magnete erreichen, bei denen jede Spulenwindung aus einer Kupferscheibe besteht (mit einem Loch in der Mitte, das später als Bohrung durch den Magneten die Probe aufnimmt), die geschlitzt ist. Die nächste Platte überlappt etwas mit der vorhergehenden, wo ein direkter Kontakt entsteht, ist im übrigen Bereich von ihr aber durch eine Isolationszwischenschicht getrennt und bildet so die nächste Windung usw. Zusätzlich gibt es außen einen Kranz von Löchern für Montagebolzen und über die Fläche verteilt viele kleine Bohrungen für die Wasserkühlung (innen mehr als außen, weil dort die Stromdichte noch höher ist). 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. Der Stromverbrauch erreicht bis zu 5 MW (ca. 1 V je Windung). Hierbei verwendet man keinen Eisenkern, sondern positioniert 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.

Für Experimente, die ein besonders homogenes Magnetfeld voraussetzen, verwendet man Helmholtz-Spulen.

 

Magnetismus


Die Eigenschaften von Magneten und der Magnetismus werden durch die physikalische Theorie der Elektrodynamik beschrieben, die 1873 von James Clerk Maxwell veröffentlicht wurde.

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.

Arten des Magnetismus

Man unterscheidet folgende Arten des Magnetismus:

* Diamagnetismus
* Paramagnetismus
* Ferromagnetismus
* Antiferromagnetismus

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 so groß werden, dass es zu Datenverlusten kommt. 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. Oft kommt es auch an Kassen zur Zerstörung von EC/Kreditkarten, weil dort manche Waren-Diebstahlsicherungen mittels eines stärkeren Magneten entfernt werden.


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