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Lexikon

Aluminium-Nickel-Cobalt

AINiCo-Magnete bestehen aus einer Legierung mit o.g. Materialien, aufgrund dessen sie zwar eine geringe Koerzitivfeldstärke und Energiedichte besitzen, dafür bis 500°C einsetzbar sind und eine höhere Remanenz als Ferrit besitzen, was diese Schwäche, im Rahmen der Einsatzmöglichkeit wieder wett macht. Ebenfalls sind diese Korrosionsbeständig, was den Einsatz im freien erlaubt, jedoch auch zerbrechlich. Die Herstellung erfolgt durch pulvermetallurgische Verfahren ( mechanische Verdichtung von Metallpulver mit anschließendem Sintern, wobei zum Verständnis Sintern mit „backen“ gleichgestellt werden kann ) oder Gießen. Daraus ergibt sich eine Remanenzflussdichte von 0,6 – 1,3 Tesla, welche im Vergleich mit anderen Werkstoffen relativ hoch ist.

Der erste Permanentmagnet in Massenfertigung der Welt bestand aus AlNiCo. Jedoch verliert das Material immer mehr durch Ferritmagnete oder Neodym-Eisen-Bor, aufgrund der geringen thermischen und magnetischen Stabilität des AINiCo und seiner ( vergleichsweise mit anderen ) geringen Koerzitivfeldstärke, was die Gefahr der Entmagnetisierung vergrößert. Ein bildliches Beispiel hierfür ist ein Hufeisen – Magnet.

Der unschlagbare Vorteil von AlNiCo ist allerdings, dass es nach künstlicher Bearbeitung eine stabile Magnetisierung aufweisen kann und somit von uns allen bekannten Werkstoffen den niedrigsten Temperaturkoeffizienten der Remanenzinduktion besitzt. Deswegen werden AlNiCo-Magneten immer noch in Sensoren und Lautsprechern verwenden.

Vorteile: gute Korrosions – und chemische Beständigkeit, weshalb keine Beschichtung notwendig ist → d.h. Für Außeneinsatz geeignet, hohe Breite der Einsatztemperatur von -270°C bis 500°C.

Nachteile: empfindlich gegen andere entmagnetisierende Felder aufgrund der geringen Koerzitivfeldstärke.

Arten von Magnetismus

Ferromagnetismus, Diamagnetismus und Paramagnetismus

Ferromagnetismus bezeichnet bestimmte Materialien, welche die Eigenschaft besitzen, ihre Elementarmagnete parallel zueinander auszurichten. Das bedeutet, dass Stücke dieser Materialien entweder selbst ein statisches Magnetfeld verursachen oder vom Magnetpol eines äußeren Magnetfelds angezogen werden. Hierzu können Sie sich viele kleine Teilchen vorstellen, welche unter o.g. Wirkung in eine Richtung zeigen (anstatt „wild“ durcheinander), wodurch ein Magnetfeld entsteht. Unter normaler Raumtemperatur gibt es drei Ferromagnetisch – elementare Elemente: Eisen, Nickel und Kobalt.

Dieses Material nimmt, durch dass externe Magnetfeld nun eine eigene Magnetisierung an, welches aber dennoch vom äußeren Magnetfeld, was die Richtung betrifft, abhängig ist. Somit hat das äußere und das „ferromagnetische“ Magnetfeld die selbe Ausrichtung, wodurch sie sich sowohl von Norpolen, wie auch von Südpolen, angezogen fühlen.

Nimmt man hierzu jedoch weichmagnetische Materialien wie z.b. Eisen, welches im großen Stil in Motoren und Generator verwendet wird, verliert sich diese „erstellte“ Magnetisierung zum größten Teil in kürzester Zeit, wenn man das externe Magnetfeld wieder verlässt. ( wie oben schon erwähnt, lässt sich ein geringer Rest – Magnetismus (Remanenz) hierbei natürlich nicht ausschließen. Jedoch existieren auch Hartmagnetische Materialien, welche eine sehr große Remanenz nach o.g. Vorgang behalten und mit Hilfe derer eine permanente Magnetiesierung angestrebt werden kann, z.B. in Falle von gehärtetem Stahl, welche die externe Magnetisierung dauerhaft annimmt.

Als Elemente weißen lediglich Nickel, Cobalt und Eisen diese ferromagnetischen Eigenschaften auf ( bei Raumtemperatur ).

 

Bearbeiten von Magneten

Magnete durch Sägen oder Bohren bearbeitet ist absolut nicht zu empfehlen, da hier am Ort der

Bohrung oder den gesägten Ort eine enorme Wärme auftritt, welche die Magnete entmagnetisieren kann. Ebenfalls kann die Korrosionsbeständigkeit darunter leiden.

 

Curie Temperatur

Wie bereits erwähnt, hängt die Ausrichtung der Weiss`chen – Bezirke nicht nur von dem verwendeten Material selbst ab, sondern auch von der Temperatur der jeweiligen Umgebung – beachten Sie hierzu die maximal Einsatztemperatur unserer Maqna – Magneten. Eine Erhöhung bzw. Verminderung der Temperatur hat enorme Einflüße auf einen Magneten. Nimmt diese zu (überhalb der maximalen Einsatztemperatur), so nimmt die Kraft eines Magneten bis hin zur Flussdichte = 0 ab und umgekehrt ( bis zu einem gewissen Punkt ) Dieses Phänomän wird oft als paramagnetisch bezeichnet, der Wendepunkt, an welchem der Magnetismus entfällt, hingegen als Curie – Temperatur (TC), welcher sich dementsprechend über der maximalen Einsatztemperatur befindet. Dieser Wert ist von Material zu Material unterschiedlich. Wenn Sie nun wissen wollen, welcher Magnet für welche Temperatur geeignet ist, werfen Sie bitte einen Blick auf die weiter unten aufgeführte Aufzählung. Als Übersicht dient hier ebenfalls der Temperaturkoeffizient, welcher angibt, in wie weit sich das Magnetfeld bei steigender Temperatur verringert. Bsp: 5°C mehr reduzieren das Feld um 7%.

 

Es zeigt sich, dass Neodymmagnete die höchste Koerzitivfeldstärke von allen erreichen. Vergleichsweise stark sind auch SmCo-Magnete, die in der Regel aber teurer sind. Diese Zahl sagt aus, wie viel Kraft es benötigt, um einen Magneten wieder vollständig zu „entmagnetisieren“ ( Flussdichte = 0 ). Umgekehrt bedeutet dies, je höher diese Zahl ist, desto widerstandsfähiger ist der Magnet, wenn es darum geht, seine Magnetisierung zu behalten. Hartferrit-Magnete weisen immerhin noch eine weitaus höhere Koerzitivfeldstärke als Weichferrit-Magnete auf, die über die schwächsten Kräfte verfügen. Allerdings ist dieser Punkt nur von Bedeutung, wenn es auf die Haftkraft des Magneten ankommt. Bei Einsätzen in sehr hohen Temperaturenbereichen von 700-850°C macht es  Sinn, ausschließlich AlNiCo-Magnete, umgangssprachlich auch als Stahlmagnete bezeichnet, zu verwenden, da diese selbst unter diesen Extrembedingungen ihre volle Kraft beibehalten, da diese mit einer robusten Legierung aus Eisen, Aluminium, Nickel, Kupfer und Cobalt bestehen. Es  hängt von Ihrem eigenen konkreten Projekt und ihrer Idee ab, welches Magnetmaterial im Einzelfall die meisten Vorteile bietet. Wir beraten Sie hierzu gerne.

Elektromagnete

         

Bereits eine einfache Leiterschleife wie in Bild 3 ist schon ein Elektromagnet. Allerdings müssen extrem hohe Ströme fließen, damit ein starkes Magnetfeld erzeugt wird. Mit Hilfe von Zwei Windungen kann man die Stärke verdoppeln. Dabei überlagern sich die magnetischen Feldlinien, so daß sich die Stärke des Elektromagneten verdoppelt. Das ganze kann man mit beliebig vielen Windungen wiederholen, siehe auch beim Aufbau eines Trafo`s.

AtommodellDa die Zylinderspule durch die Windungen, welche in oben genanntem Beispiel nebeneinander liegen,  eine bestimmte Länge besitzt, überlagern sich die Feldlinien hierbei nicht vollständig. Daraus ergibt sich, dass die Feldstärke etwas kleiner ist, als man aufgrund der Windungszahl erwarten würde. Werden die Windungen jedoch sehr eng gehalten (d.h. ohne Abstand zwischen den Windungen) mit einer kurzen Spulenlänge, so ergibt sich eine weitaus größere Feldstärke als bei einer lockeren Wicklung mit großer Spulenlänge. Daraus ergibt sich als Faustformel: Je größer der Abstand zwischen den Windungen, desto schwächer ist die Feldstärke

Um die Kraft Elektromagneten zu erhöhen, gibt es noch einen weiteren Trick: indem man das Innere der Wicklung eines Elektromagneten mit ferromagnetischem Material füllt (Material, welches sich in einem externen Magnetfeld selbst magnetisiert und diesen Zustand auch beibehält). Zum besseren Verständnis kann man das Beispiel von Kupfer und Strom nehmen, da ferromagnetisches Material für magnetische Feldlinien genau das ist, was Kupfer dem Strom bietet. Wenn sich die Möglichkeit hierzu ergibt, fließen magnetische Feldlinien daher lieber durch ferromagnetisches Material statt durch Luft, auch wenn der Weg länger ist. Dadurch gibt es weniger Feldlinien, welche den „schnelleren“ Weg nehmen, da diese bei den Wicklungen „gesammelt“ werden. Das ist aber noch lange nicht alles, der größte Vorteil besteht darin, das die Elementarmagnete im inneren in eine Richtung polarisiert werden und somit die Kraft des Magneten extremst steigern.

Der größte Vorteil von Elektromagneten gegenüber Permanentmagneten ist aber, dass man die Magnetisierung auf Wunsch beenden kann, z.B. durch einfaches „abschalten“, wobei die Magnetisierung dabei auf „0“ gesetzt wird und die Kraft nicht mehr wirkt. Dies ist natürlich nur dann möglich, wenn man zur Verstärkung des Magnetfelds als ferromagnetisches Material sogenanntes weichmagnetisches Material wie z.B. reines Eisen verwendet hat. Hierbei kehren nämlich die Weißschen Bezirke ( Bereiche in ferromagnetischem Material, in welchem die Elektrospins parallel ausgerichtet sind ) nach Abschalten des äußeren magnetischen Felds in ihre ursprüngliche Position zurück. Entgegengesetzt funktioniert es bei hartmagnetischen Materialien, welche bei der Herstellung von Permanentmagneten zum Einsatz kommen. Jedoch bleibt ein minimal geringer „Rest“magnetismus vorhanden, welcher nicht zu vermeiden ist, da nur nahezu 100% der Teilchen wieder in die ursprüngliche Position zurückkehren.

Magnetische Felder wieder durch sich bewegende Elektronen erzeugt. Da bekanntlich in der Physik die meisten Effekte umkehrbar sind, stellt sich hier nun die Frage, ob dies hier auch der Fall ist. Anhand der vorhandenen Elektrizitätswerke lässt sich die Anwort bereits vorhersehen. Als Versuch reichen jedoch Zwei Magnete und eine Glühbirne vollkommen aus. Hält man die Magnete in die Richtung in der sie sich gegenseitig anziehen, entsteht dazwischen natürlich ein Magnetfeld. Wenn man nun ein Stück Draht dazwischen hält und um den Effekt auch optisch wahrnehmen zu können, eine Lampe daran anschließt, wird sich folgendes Szenario abspielen: Die Lampe wird aufleuchten, bei jedem herein – und herausbewegen der Drahtstücke, je schneller dies geschieht, desto heller wird die Lampe leuchten. Und hiermit haben wir den Beweis, dass in einem Magnetfeld Strom induziert werden kann, wenn ein Leiter dazwischen gehalten wird. Nach diesem Aufbau sind auch die oben gennanten Elektrizitätswerke aufgebaut oder Ihr Dyname am Fahrrad. Die Stromerzeugung kommt aber nicht durch den Magneten selbst, sondern vielmehr dadurch, dass die Elektronen im Leiter in Bewegung gesetzt wurden.

Genauso funktioniert es auch, wenn sich die Magnete zwar nicht bewegen, sich aber deren Stärke des Magnetfeldes ändert. Jedoch ist dies bei Permanentmagneten natürlich nicht möglich, ohne diese zu bewegen, weshalb man hier stromdurchflossene Elektromagneten benutzt. Bei Änderung des Magnetfeldes passiert genau das selbe, wie wenn man eswas in das Magnetfeld ein – und ausführen würde.

 

Energieprodukt

Dieser Wert (Energieprodukt = BH - Produkt) ergibt sich aus einer Multiplikation der Koerzitivfeldstärke und der magnetischen Flussdichte. Gemessen wird dieser Wert, welche die gesamte im Magneten gespeicherte Energie wiedergibt, in Goe bzw. MGOe – GaussOersted bzw. MegaGaussOersted. Möchte man nun wissen, wie stark die Anziehungskraft eines Magneten ist, so lässt sich hier raus die Energiedichte herbeileiten, welche aus das Volumen eines Magneten mit einbezieht. Je höher dieser Wert angegeben ist ( Energie pro Volumen ) desto stärker ist die Anziehungskraft.

Formen im Magnetismus

Die wohl bekanntesten Formen sind Scheiben-, Quader-, Kugel-, Ring-, Würfel- und Stabmagnete, jedoch sind nahezu alle vorstellbaren Formen möglich.

 

 

Hartferrit

Vorteile: leicht zu magnetisieren und günstigste Alternative, gute Korrosions – und chemische Beständigkeit ( daher für Außeneinsatz geeignet ), weshalb auch hier keine Beschichtung von Nöten ist, hohe Einsatztemperatur bis 250°C

Nachteile: da sehr hart, kann beim herunterfallen oder Zusammenstoß schnell etwas abplatzen, geringere magnetische Eigenschaften als andere Stoffe.

Nach dem heutigen Stand, sind Ferritmagnete, die populärsten von allen. Dies beruht zum einen auf dem sehr niedrigen Preis, zum anderen auf der enorm hohen Stabilität gegen die Temperatur, weshalb die Automobil – und Elektroindustrie gerne, auf diese in Massenfertigung hergestellten Magnete, zurückgreift. Ebenfalls finden wir diese Magnete in Sensoren und magnetischen Speicheranwendungen wieder, da hier sehr kleine und komplexe Polstrukturen auf der Magnetoberfläche erzeugt werden können. Ebenso überzeugen ferritische Magnete mit einer enormen chemischen Stabilität, welche sie gegen Verluste durch äußere Einwirkungen schützt. Werden hingegen sehr starke dauermagnetische Felder benötigt, greift man hier gerne auf SmCo oder NdFeB Magnete zurück, da diese seltenen Erd-basierten Materialien die höchsten Remanenzwerte bieten können. Jedoch können diese Magnete durch Korrosion oder Oxidation einen Teil ihrer Kraft verlieren ( deshalb die Beschichtung ).

Hysteresekurve / Magnetisierungskurve

Diese Kurve stellt das grafische Schaubild zwischen Remanenz und Koerzitivfeldstärke dar. Hier wird in einem Koordinatensystem auf der einen Achse der Wert der magnetischen Flussdichte bei der jeweiligen Koerzitivfeldstärke und umgekehrt auf der anderen Achse angegeben. Anhand des Schaubilds lässt sich gegen Ende eine flachere Steigung erkennen, da hierbei eine Sättigung (Sättigungsmagnetisierung) eintritt. Diese zeigt grafisch auf, dass der maximale Nutzen erreicht wurde und jede weitere äußere Einwirkung durch Erhöhung des Koerzitivfeldes kaum bzw. zu keiner weiteren Erhöhung der Flussdichte führt. Da der Begriff Hysterese schwer definierbar ist, soll folgendes Bsp. Zum Verständnis beitragen.  Eine Analogie ist eine Spiralfeder, die, einmal zu weit gedehnt, nicht mehr von selbst in ihren Ursprungszustand zurückfedern kann (analog zu Remanenz). Es braucht externe Kräfte, um sie wieder in die ursprüngliche Form zu bringen (analog zu Koerzivität).

Dieser Effekt, der Reduzierung der Feldstärke durch ein äußeres Magnetfeld, bewirkt ebenso eine Reduzierung der magnetischen Flussdichte. Jedoch geschieht diese Verminderung in einem größerem Ausmaß als eine Erhöhung.

Kennzahlen im Magnetismus / Wie wird Magnetismus gemessen?

Remanenz (Br)

Die Remanenz beschreibt jenen Wert, welcher nach der Magnetisierung, durch externe Einflüsse, in einem Gegenstand „zurückbleibt“ Durch Erreichen der Koerzitivfeldstärke kann mit Hilfe eines magnetischen Gegenfeldes jedoch auch dieser Wert auf „0“ gesetzt werden. Aus diesem Grund weisen Permanentmagnete eine starke Remanenz ( damit sie magnetisch bleiben ) und zugleich eine hohe Koerzitivfeldstärke ( damit sie gegen äußere Einflüsse / Magnetfelder geschützt sind ) auf. Als Remanenz wird auch die Flussdichte eines Gegenstandes bezeichnet, die ohne externe Krafteinwirkung auftritt ( siehe hierzu Hysteresekurve )

Koerzitivfeldstärke (HcB) / HcJ

Dieser Wert gibt an, wie stark das „Schutzschild“ eines Magneten ist, um sich gegen äußere Magnetfelder zu widersetzen, sprich: eine hohe Koerzitivfeldstärke schützt einen Magneten besser gegen eine äußere Entmagnetisierung (Flussdichte B / T (T nach der Benennung von Nikola Tesla)  = 0) als eine geringe Koerzitivfeldstärke. Zur Messung dieser Werte bedarf es eines Koerzimeters. Zusammengesetzt wird dieser Wert aus „Hc“ wobei H für die magnetische Feldstärke steht und c vom lateinischen „coercere“ (zusammenhalten/zwingen) herzuführen ist.

Materialabhängigkeit der HcB

Koerzitivfeldstärke der magnetischen Flussdichte HcB vs. Der magnetischen Polarisation HcJ

Der Unterschied hierbei ist folgender: Nimmt man einen Permanentmagneten und setzt diesen einer Feldstärke HcB aus, verschwindet hier die Flussdichte. Diese kommt allerdings nach dem Entfernen der Feldstärke wieder zurück, der Permanentmagnet ist wieder magnetisch. Setzt man diesen nun jedoch einer entmagnetisierenden HcJ aus, verliert dieser seine Polarisation und somit auch seine Magnetisierung auf Dauer.

Magnetische Energie

Spricht man von magnetischer Energie, so meint man die Energie des Magnetfeldes, welche in jedem Permanentmagnet in bestimmter Menge vorhanden ist. Übt ein Magnet seine Kraft auf ein Stück Eisen aus und zieht dieses an, so wird hier Arbeit verrichtet. Die magnetische Energie im Magneten selbst wird um diesen Wert der verrichteten Arbeit verkleinert -> Bsp. Ein Magnet hat die Stärke „12“ und verrichtet eine Arbeit von „5“, verbleibt eine Stärke von „7“. Diese verlorene Energie kehrt aber jedoch nach der Beendigung der Arbeit wieder zurück. Hier dient als Analogie wieder die Spiralfeder  -> Sie erhält potentielle Energie, wenn sie gedehnt wird und gibt diese wieder ab, wenn sie wieder zurückfedert. Die Maßeinheit ist Joule (J)

Feldlinien / Flussdichte

Hilfsmittel, um magnetische Felder darzustellen. Je dichter diese dargestellt sind, desto größer ist die magnetische Flussdichte (B). Somit haben beispielsweise Neodym Magnete viel mehr Feldlinien als Ferritmagnete. Dies bedeutet, dass mehr und vor allem dichtere Feldlinien pro Flächeneinheit, eine größere Flussdichte darstellen. Die Maßeinheit ist Tesla (T)

Temperatur-Koeffizient

Dieser Wert ist ein Maß für die „Schwächung“ der Magneten im Hinblick auf steigende Temperaturen. Dies wird in %/°C ( Grad ) oder %/K ( Kelvin ) angegeben und bedeutet, dass mit jedem C oder K mehr sich der gemessene Wert der Remanenz und der Koerzitivfeldstärke um den %-Betrag mindert, ausgehend von der Raumtemperatur. Bis zur maximalen Einsatztemperatur ist dieser Wert reversibel, d.h. Durch Wärme verliert der Magnet, durch kühlen erlangt er jedoch seine Vollständigkeit wieder. Wird die maximale Temperatur jedoch überschritten, treten irreversible Verluste für o.g. Faktoren ein, welche nur wieder durch eine erneute „Aufmagnetisierung“ behoben werden können.

Koerzitivfeldstärke

Die Koerzitivfeldstärke (H) kann als „Schutzschild“ eines Magnetes angesehen werden, welches vor dem Einfluss äußerer Magnetfelder schützt. Ohne dieses „Schutzschild“ wäre der Magnet anfällig gegen äußere Entmagnetisierungen. Gemessen wird dies mit einem Koerzimeter in Ampere pro Meter bzw. A/m (SI-Einheit). Wird ein Gegenstand vollständig entmagnetisiert, ist seine Flussdichte = 0.

Unterschieden wird hier jedoch noch in der Koerzitivfeldstärke der elektrischen Polarisation (HcJ) und der Koerzitivfeldstärke der magnetischen Flussdichte (HcB). Der Unterschied ist wie folgt: Soll die magnetische Flussdichte temporär außer Kraft gesetzt werden, so spricht man von HcB. Hierbei entspricht die Flussdichte = 0 – entfernt man jedoch nun wieder das äußere Magnetfeld, weißt der Magnet trotzdem noch magnetische Eigenschaften auf. Soll der Magnetismus vollkommen außer Kraft gesetzt werden muss eine Feldstärke der Größe HcJ angelegt werden, da hier eine endgültige Entmagnetisierung eintritt. Daraus ergeben sich, bei jeglichen Materialien, größere HcJ – Werte als HcB – Werte. Im Allgemeinen bedeutet dies, je größer diese beiden Werte sind, desto höher ist die Resistenz des Magneten gegen äußere Felder. Jedoch kann immer noch eine Entmagnetisierung durch z.B. Schläge oder Sturz zustande kommen.

Es zeigt sich, dass Neodym Magnete die höchste Koerzitivfeldstärke von allen erreichen. Vergleichsweise stark sind auch SmCo-Magnete, die in der Regel aber teurer sind. Diese Zahl sagt aus, wie viel Kraft es benötigt, um einen Magneten wieder vollständig zu „entmagnetisieren“ (Flussdichte = 0). Umgekehrt bedeutet dies, je höher diese Zahl ist, desto widerstandsfähiger ist der Magnet, wenn es darum geht, seine Magnetisierung zu behalten. Hartferrit-Magnete weisen immerhin noch eine weitaus höhere Koerzitivfeldstärke als Weichferrit-Magnete auf, die über die schwächsten Kräfte verfügen. Allerdings ist dieser Punkt nur von Bedeutung, wenn es auf die Haftkraft des Magneten ankommt. Bei Einsätzen in sehr hohen Temperaturbereichen von 700-850°C macht es  Sinn, ausschließlich AlNiCo-Magnete, umgangssprachlich auch als Stahlmagnete bezeichnet, zu verwenden, da diese selbst unter diesen Extrembedingungen ihre volle Kraft beibehalten, da diese mit einer robusten Legierung aus Eisen, Aluminium, Nickel, Kupfer und Cobalt bestehen. Es  hängt von Ihrem eigenen konkreten Projekt und ihrer Idee ab, welches Magnetmaterial im Einzelfall die meisten Vorteile bietet. Wir beraten Sie hierzu gerne.

Magnetanwendungen

Mechanische Lagerungen, Haftmagnete, Magnetverschlüsse an Möbeltüren, Damenhandtaschen, Pseudowangenpiercings, durch Wandungen hindurch wirkende Kupplungen, z. B. Magnetrührer zum Rühren von Flüssigkeiten in Laborgefäßen

Elektromechanik, Elektromotoren, z. B. selbsterregte Gleichstrommotoren, Läufer kleiner Synchronmotoren (Permanentmagnet-Synchronmotor, PMSM), Läufer elektronisch kommutierter Motoren, Läufer kleinerer Generatoren, z. B. Fahrraddynamo

Permanentmagnetgenerator, z. B. von modernen Windkraftanlagen, Feldmagnete von Lautsprechern und dynamischen Mikrofonen und Kopf- und Ohrhörern

Betätigungsmagnete für Reedkontakte, z. B. Speichenmagnet für Fahrradtachosensor, Felderzeugung in Drehspulmesswerken, Dämpfung (Wirbelstrombremse)

Stromzähler,Linear-Schwenkmotor für Lesekopfarm einer Computerfestplatte

Modellbau, Hobby und Werkstatt, Elektronik, Feldmagnete für Zirkulatoren in der Höchstfrequenztechnik, Korrekturmagnete an Bildröhren, Feldmagnete von Magnetrons, z. B. 2 Magnetringe im Mikrowellenherd

Auto, Haus, Garten, Schatzsuche, Werkstatt, Küche, Magnetsysteme

Magnetherstellung

Die Herstellung von Magneten ist ein komplexer Prozess, zur Vereinfachung dient jedoch nachfolgender Versuch, welcher auch ohne großen Aufwand zuhause nachzumachen ist J

Sie benötigen lediglich Zeit und Geduld, einen starken Permanentmagnet, wie wir ihn anbieten ( am besten Stabförmig ) und eisenhaltige Gegenstände wie Nägel.

  • Magnetisierbare Materialen lassen sich leicht ein äußeres Magnetfeld „aufdrücken“
  • Wenn Sie nun mit einem beliebigen Pol des Magneten der Länge nach über den Nagel streichen, passiert folgendes: Die im Eisen vorhandenen Elementarteilchen ordnen sich in Richtung dem jeweiligen entgegengesetzten Pol aus.
  • Nach diesem Schema entwickelt sich nun eine eigene Magnetisierung, welche natürlich weder in der Stärke, noch im Umfang, auch nur annähernd an die industrielle Qualität herankommt, jedoch als Veranschaulichung des Vorganges seinen Nutzen erfüllt.

Im betrieblichen Rahmen einer Massenfertigung, sieht das ganze wie folgt aus:

Zur Herstellung von Permanentmagneten wird auf kristallines Pulver zurückgegriffen. Dieses wird in unter Einwirkung eines großen und starken Magnetfeldes gepresst, wodurch sich die Weiss’chen Bezirke in Richtung des externen Magnetfeldes ausrichten und somit der Gegenstand ( welcher im selben Moment in die gewünschte Form gepresst wurde ) magnetisch wird. Danach werden diese gesintert, was einem Kuchen backen gleichgesetzt werden kann, da dieser Vorgang unterhalb der Schmelztemperatur von Statten geht. Hierbei nimmt die Dichte und Festigkeit zu und das „Kunstwerk“ Permanentmagnet wird vollendet. Auf diese Art und Weise werden alle Magnete hergestellt, außer den gegossenen AINiCo-Magneten. Daher lassen sich diese auch nicht mechanisch bearbeiten, sind spröde und zerbrechen bei mechanischer Einwirkung.

Magnetisierung von Gegenständen

Anhand eines Beispiels ist dieser Vorgang leicht verständlich zu verdeutlichen. Legt man Zwei Eisennägel nebeneinander, so passiert zuerst nichts, obwohl diese Weiss`chen Bezirke aufweisen, was aber nicht sofort zu magnetischen Eigenschaften führt. Auch hier ist es, wie oben beschrieben, durch das viele „durcheinander“ der Fall, dass sich durch die hieraus resultierende Wechselwirkung, der Effekt aufhebt. Werden nun aber diese Nägel einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt, so ordnen sich die Weiss`chen Bezirke in eine Richtung an – in Richtung des äußeren Magnetfeldes – und werden angezogen oder abgestoßen. Entfernt man nun dieses Magnetfeld wieder, kehren die Bezirke in ihr ursprüngliches Chaos zurück – Dieser Vorgang beendet die Magnetisierung. Nicht viele Materialien können die neue Anordnung beibehalten – falls sie es können, bezeichnet man diese als Permanentmagnete. Dieser neu erstellte magnetische Gegenstand ist dann von selbst in der Lage, ferromagnetisches Material, welches auch Eisen, Cobalt oder Nickel enthält, anzuziehen oder abzustoßen.

Aber wie funktioniert das nun, dass ein Gegenstand magnetisierungsfähig ist? Hierbei spielen viele Faktoren eine wichtige Rolle. Zum einen muss das Material natürlich über oben beschriebene Weiss’chen Bezirke verfügen. Dies ist eine Eigenschaft von Nickel, Eisen oder Kobalt Legierungen. Ohne diese Bezirke kann der Gegenstand bzw. die Atome darin zwar durch ein äußeres Magnetfeld „ausgerichtet“ werden, jedoch verflüchtigt sich diese Anordnung auch wieder nach dem Wegfall des Magnetfeldes, so dass hier keine permanente Magnetisierung zustande kommen kann. Haben Sie je einen Magneten gegen das fließende Wasser aus einem Hahn gehalten? Hier spiegelt sich o.g. Effekt wieder – Das Wasser wird in einem Bogen fließen, sobald der Magnet jedoch entfernt wird, fließt es wieder gerade runter, was darauf schließen lässt, dass Wasser über keine Weiss`chen Bezirke verfügt.

Sind diese Bezirke jedoch vorhanden, hängt die Stärke der Magnetisierung jedoch auch von der Kraft der äußeren Feldstärke und dem Material selbst ab. Je „besser“ diese beiden Komponenten zusammenspielen, desto mehr Weiss`chen Bezirke richten sich parallel, was sich auf die Stärke des Ergebnisses auswirkt.

Magnetisierungsformen –Arten

Isotrop vs. Anisotrop => ohne / mit Vorzugsrichtung => Richtung der Magnetisierung beliebig oder vorgegeben

Axial => z.B. Scheiben – oder Stabmagnete, die Magnetpole liegen auf den Kreisflächen „oben“ und „unten“ (fast alle unsere Magnete sind axial magnetisiert)

Über Maß x

Diametral => z.B. Scheiben – oder Stabmagnete, die Magnetpole liegen hierbei „links“ und „rechts“

Radial => z.B. Ringmagnete, welche im inneren Teil der Kreisfläche den einen Pol haben und im äußeren Teil den anderen Pol => Diese Art ist sehr selten anzutreffen, da sie schwer herzustellen  und deshalb sehr teuer ist (führen wir nicht in unserem Shop).

Mehrpolig => z.B. in der Herstellung von Motoren oder Sensoren aller Art anzutreffen => z.B. Ringmagnete, welche den Südpol auf 3 und 9 Uhr haben, den Nordpol auf 12 und 6 Uhr.

Magnetismus

Es ist im weitesten Sinne für viele ein übersinnliches Rätsel, da sich hierdurch, mit scheinbar unsichtbaren Kräften, verschiedene Gegenstände wie von selbst anziehen bzw. abstoßen. Doch wie funktioniert das? Die Erklärung dieses Phänomens liegt im Magnetismus.

Der Aufbau des ganzen findet täglich um uns herum statt, auch im weit entfernten Weltraum existiert es → Materie.

Der Ursprung wurde anfangs des 19. Jahrhunderts vom dänischen Physiker Hans Christian Oersted begründet, dessen Namen auch bis 1970 als Einheit für die Magnetfeldstärke galt. Er erkannte bereits früh, vor allen anderen, dass sich durch elektrischen Strom ein Magnetfeld bildet, da sich hierbei Elektronen in ein und dieselbe Richtung bewegen.

Auf diesem Prinzip funktionieren unsere heutigen Elektromagneten, der bekannteste Elektromagnet stammt von Nikola Tesla und wird als Tesla – Spule / Transformator bezeichnet. Diese Erfindung bezeichnet den Zusammenhang von Magnetismus und Strom. Beides sind (im Allgemeinen) unsichtbare Kräfte, welche sichtbare Auswirkungen haben. Der Magnetismus funktioniert grundsätzlich auch ohne Strom & umgekehrt, jedoch basiert beides auf demselben physikalischen Prinzip.

 

Neodym Eisen Bor (NdFeB)

 

Neodym-Magnete bei diesem Magnetmaterial handelt es sich um eine Legierung aus den Elementen Neodymium, Eisen und Bor; die chemische Formel lautet Nd2Fe14B. Hieraus bestehen aktuell die stärksten, in Serie produzierbaren Dauermagnete der Welt. Aufgrund des relativ geringen Preises und den hochwertigen Eigenschaften wie z.B. einem knapp 17 mal so hohen Koerzitivfeld wie bei AINiCo - Magneten, haben sich diese in den letzten Jahren stark verbreitet und kommen heutzutage fast überall zum Einsatz.

Vorteile : hohe magnetische Werte in Hinsicht auf Remanenz, Koerzitivfeldstärke und (BH)max. daher geringes Magnetvolumen in der Anwendung notwendig, optisch             ansprechende Oberflächenbeschichtung aus Nickel, Zink oder Kunststoff – Kunststoff beschichtete Magnete werden auch als Epoxymagnete bezeichnet ( diese Beschichtungen sind notwendig, da Neodym Magnete sehr korrosionsanfällig sind ).

Nachteile: Korrosionsanfällig, Einsetztemperatur beschränkt auf 80°C (wenige besitzen auch eine max. Einsatztemperatur von bis zu 150°C).

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ist DER Magnet! Diese Kombination ermöglicht sehr starke Magnete zu verhältnismäßig günstigen Preisen, was sie für jedermann attraktiv macht. Früher wurde die Herstellung durch pulvermetallurgische Verfahren in die Wege geleiten, im Laufe der Zeit jedoch mehr als kunststoffgebundene (Kunststoffe mit permanentmagnetischen Eigenschaften) Magnete. Die maximalen Einsatztemperaturen liegen bei 80°C, einige wenige Modelle ( welche wir auch in unserem Shop anbieten ) sind jedoch auch für höhere Temperaturen geeignet. Somit ergibt sich hier die „perfekte Mischung“ was auch dazu geführt hat, dass diese Magnete mehr und mehr verbreitet wurden.

Nordpol vs Südpol

Unsere Erde – wie wir sie alle kennen – besitzt den geografischen Nordpol auf einer Seite und den Südpol auf der anderen. Für den Magnetismus hat dies jedoch eine ganz andere Bedeutung – bekanntlich ziehen sich Nord – und Südpol an. Historisch wurde in früheren Jahren das Ende der Nadel, welche bei einem Kompass nach Norden zeigte, auch Nordpol genannt. Damals wussten die Menschen jedoch noch nicht viel über dieses Phänomen. Als man sehr viel später den Magnetismus begann zu verstehen, ergab sich hieraus die Definition, dass die Erde am Nordpol den magnetischen Südpol hat und umgekehrt. Jedoch war schon allgemein bekannt, der Nordpol ist der Nordpol und Südpol der Südpol, weshalb sich diese, aus Physiker – Sicht, falsche Aussage trotzdem etabliert hat. Auch unsere fliegenden Freunde, welche kurz vor Wintereinbruch nach Süden aufbrechen, orientieren sich am Magnetfeld der Erde. Zwei entgegengesetzte Pole, also Nord – und Südpol, werden als Dipole bezeichnet.

Nutzungsarten

Magneten werden nur in den wenigsten Fällen in ihrer standardisierten Form zum Einsatz gebracht, wie z.B. einem Scheiben – oder Würfelmagneten. Aus diesem Grund wurden die unterschiedlichsten Magnetsystem für jeglichen Einsatz erfunden, dass wohl bekannteste ist hierbei ein Magnet in einem Metallgehäuse, was auch gleich mehrere Vorteile mit sich bringt.

Zum einen wird der Magnet durch äußere Einflüsse geschützt und zudem kann er mit dem passenden System nahezu überall befestigt werden, z.B. in der Decke mittels eines Hackens. Bei richtiger Dimensionierung in einem Magnetsystem kann dies aufgrund mehrerer Faktoren die Haftkraft um bis das 18-fache des eigentlichen Magneten sogar erhöhen, jedoch geschieht dies zu Kosten des Magnetfeldes. Wird der Magnet beispielsweiße als reiner Lasthebemagnet z.B. in einem Lager eingesetzt, so bedarf es eines Systems, um diesen Effekt zu verstärken. Wird jedoch ein Kontaktgeber benötigt, so ist das Magnetfeld von Bedeutung.

Permanentmagnete

Dieser Begriff bezeichnet Gegenstände, welche dauerhafte magnetische Eigenschaften besitzen.

Und hier kommt wieder unsere uns allumgebende Materie ins Spiel. Diese besteht ( wie alles im Weltall und auf der Erde ) aus vielen einzelnen Atomen. Zum heutigen Wissenstand kennt die Menschheit weit mehr als 100 verschiedene Atome, welche einzeln und zusammen – als Molekül – auftreten können. Hier werden Sie sich bestimmt an Ihre Schulzeit zurückerinnern. Diese Atome setzen sich aus einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen, Neutronen und Elektronen zusammen. Im Schulunterricht wurde dies oft bildlich als die „Ärmchen“ des Atomes dargestellt, mit denen diese sich „anfassen“ und „verbinden“ können.

Der Mittepunkt dieser Atome wird als Atomkern bezeichnet, welcher in den regelmäßigsten Fällen aus Protonen und Neutronen besteht. Die oben beschriebenen „Ärmchen“ bilden nun die Elektronen, welche um den Kern herumkreisen. Durch diese kreisende Bewegung entsteht selbst hier ein kleines Magnetfeld, welches unabhängig von äußeren Einwirkungen agiert, wie z.B. einem Stromfluss. Daraus lässt sich schließen, dass ein Permanentmagnet ( wie jedes andere Objekt auf der Erde ) aus vielen kleinen, kreisenden Atomen besteht – jedes einzelne mit seinem eigenen kleinen Magnetfeld ausgestattet - und dadurch bereits ein Magnetfeld „in sich trägt“

Natürlich stellt sich jetzt hier die Frage: „Bin ich dann auch Magnetisch? Ist meine Katze oder mein Notizblock magnetisch“? Generell ist diese Frage mit einem klaren Nein zu beantworten. Das liegt daran, dass sich die Elektronen und die hiervon erzeugten Magnetfelder völlig chaotisch bewegen d.h. ihre Kraft ist nicht parallel in eine Richtung gebündelt sondern hebt sich viel mehr, durch die hiermit erzeugte Wechselwirkung, gegenseitig auf. Über den Daumen gezählt entspricht die Anzahl der Magnetfelder in eine Richtung circa der Anzahl der Felder in die andere Richtung. Jedoch werden auch in der modernen Medizin, speziell dem MRT, auch Magnetfelder genutzt, um unsere Elektronen zu „ordnen“ und wieder „fallen“ zu lassen, woraus dann an einem Hochleistungsrechner Bilder entstehen.

Restmagnetismus und Remanenz

Dies bezeichnet den Magnetismus, welcher in einem Gegenstand „zurückbleibt“, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird. Des Weiteren ist dies auch unter den Namen magnetische Flussdichte oder umgangssprachlich einfach als Magnetfeld bekannt, welche in Tesla ( international Standard ) oder zuweilen noch in Gauss angegeben wird (1 Tesla = 10.000 Gauss). Permanentmagnete besitzen dementsprechend eine sehr hohe Remanenz, da diese nach dem Magnetisierungsvorgang selbst magnetisch werden, also genügend Restmagnetismus übrig bleibt, um selbst als Magnet zu fungieren. Andersherum verhält sich dies z.B. wenn Sie einen Nagel mit einem Magneten anziehen, da dieser seinen Magnetismus nach entfernen des äußeren Feld wieder fast vollständig verliert (minimaler Restmagnetismus nicht ausgeschlossen). Diese Remanenz kann aber durch ein „magnetisches Gegenfeld“ beseitigt werden. Damit Magneten jedoch vor äußeren Feldern geschützt sind, die sie ihrer Kraft berauben wollen, gibt es das Koerzitivfeld.

Samarium Cobalt (SmCo)

Samarium-Cobalt (SmCo) ermöglicht zu einem höheren Preis eine hohe Einsatztemperatur und Energiedichte für starke Dauermagnete.

Vorteile: Hohe Remanenz, hohe Energiedichte und Koerzitivfeld, gute Korrosionsbeständigkeit, weshalb keine Beschichtung notwendig ist

Nachteile: Sehr teurer Rohstoff und Herstellungsverfahren, deshalb teure Magnete, welche auch sehr empfindlich gegen äußere Einwirkungen sind z.B. herunterfallen.

Sättigungsmagnetisierung

Darunter versteht man, wenn ein ferromagnetischer Stoff seine „vollste“ Erhöhung durch eine äußere magnetische Feldstärke aufgenommen und jene weitere Erhöhung der externen Feldstärke keinen weiteren Nutzen mehr bieten würde. Dieser Stoff hat somit seinen materialspezifischen „Sättigungswert“ erreicht - er ist „satt“.

Weiss`schen Bezirke

Kommen hier nun jedoch sogenannte ferromagnetische Materialien wie Eisen, Nickel oder Kobalt ins Spiel, wird es interessant. Diese besitzen die Fähigkeit, diese einzelnen Atome allesamt in die gleiche Richtung zu lenken – ihre Kraft zu bündeln. Diese Bereiche wurden von dem französischem Physiker Pierre Ernest Weiss entdeckt und wurden nach ihm benannt. Aus diesem Grund spricht man hier von den Weiss`chen Bezirken, welche aus der kleinsten magnetischen Einheit bestehen, den Elementarmagneten.

 

 

 

 

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