Magnet

Ein "Hufeisenmagnet" aus Alnico, einer Eisenlegierung. Bei diesem Magneten in Hufeisenform liegen die beiden Magnetpole dicht beieinander. Diese Form erzeugt ein starkes Magnetfeld zwischen den Polen, das es dem Magneten ermöglicht, ein schweres Stück Eisen anzuziehen. ⓘ

Magnetfeldlinien eines Elektromagneten, die einem Stabmagneten ähnlich sind, wie unten mit den Eisenspänen dargestellt ⓘ

Ein Magnet ist ein Material oder ein Gegenstand, der ein magnetisches Feld erzeugt. Dieses Magnetfeld ist unsichtbar, aber es ist für die bemerkenswerteste Eigenschaft eines Magneten verantwortlich: eine Kraft, die andere ferromagnetische Materialien wie Eisen, Stahl, Nickel, Kobalt usw. anzieht und andere Magnete anzieht oder abstößt. ⓘ

Ein Dauermagnet ist ein Gegenstand, der aus einem Material besteht, das magnetisiert ist und sein eigenes, dauerhaftes Magnetfeld erzeugt. Ein alltägliches Beispiel ist ein Kühlschrankmagnet, der dazu dient, Notizen an der Kühlschranktür festzuhalten. Materialien, die magnetisiert werden können und die auch von einem Magneten stark angezogen werden, werden als ferromagnetisch (oder ferrimagnetisch) bezeichnet. Dazu gehören die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt und ihre Legierungen, einige Legierungen von Seltenerdmetallen und einige natürlich vorkommende Mineralien wie lodestone. Obwohl ferromagnetische (und ferrimagnetische) Materialien die einzigen sind, die stark genug von einem Magneten angezogen werden, um gemeinhin als magnetisch zu gelten, reagieren alle anderen Stoffe schwach auf ein Magnetfeld, und zwar durch eine von mehreren anderen Arten von Magnetismus. ⓘ

Ferromagnetische Materialien können in magnetisch "weiche" Materialien wie geglühtes Eisen, die magnetisiert werden können, aber nicht dazu neigen, magnetisiert zu bleiben, und in magnetisch "harte" Materialien, die dies tun, unterteilt werden. Dauermagnete werden aus "harten" ferromagnetischen Werkstoffen wie Alnico und Ferrit hergestellt, die bei der Herstellung einer speziellen Bearbeitung in einem starken Magnetfeld unterzogen werden, um ihre innere mikrokristalline Struktur auszurichten, so dass sie sehr schwer entmagnetisiert werden können. Um einen gesättigten Magneten zu entmagnetisieren, muss ein bestimmtes Magnetfeld angelegt werden, und diese Schwelle hängt von der Koerzitivfeldstärke des jeweiligen Materials ab. "Harte" Materialien haben eine hohe Koerzitivfeldstärke, während "weiche" Materialien eine niedrige Koerzitivfeldstärke haben. Die Gesamtstärke eines Magneten wird durch sein magnetisches Moment oder alternativ durch den gesamten von ihm erzeugten magnetischen Fluss gemessen. Die lokale Stärke des Magnetismus in einem Material wird durch seine Magnetisierung gemessen. ⓘ

Ein Elektromagnet besteht aus einer Drahtspule, die sich wie ein Magnet verhält, wenn ein elektrischer Strom durch sie hindurchfließt, aber aufhört, ein Magnet zu sein, wenn der Strom aufhört. Oft ist die Spule um einen Kern aus "weichem" ferromagnetischem Material wie Baustahl gewickelt, wodurch das von der Spule erzeugte Magnetfeld erheblich verstärkt wird. ⓘ

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

Entdeckung und Entwicklung

In der Antike lernten die Menschen den Magnetismus anhand von Magnetsteinen (oder Magnetit) kennen, bei denen es sich um natürlich magnetisierte Stücke aus Eisenerz handelt. Das Wort Magnet wurde im Mittelenglischen von lateinisch magnetum "lodestone" übernommen, letztlich von griechisch μαγνῆτις [λίθος] (magnētis [lithos]), was "[Stein] aus Magnesia" bedeutet, einem Ort in Anatolien, an dem Lodesteine gefunden wurden (heute Manisa in der modernen Türkei). Lodestones, die drehbar aufgehängt waren, waren die ersten Magnetkompasse. Die frühesten überlieferten Beschreibungen von Magneten und ihren Eigenschaften stammen aus Anatolien, Indien und China vor etwa 2500 Jahren. Die Eigenschaften von Magnetsteinen und ihre Affinität zu Eisen wurden von Plinius dem Älteren in seiner Enzyklopädie Naturalis Historia beschrieben. ⓘ

Im 12. bis 13. Jahrhundert n. Chr. wurden Magnetkompasse in China, Europa, auf der arabischen Halbinsel und anderswo zur Navigation verwendet. ⓘ

Physik

Magnetisches Feld

Eisenspäne, die sich in dem von einem Stabmagneten erzeugten Magnetfeld ausgerichtet haben ⓘ

Erkennung des Magnetfelds mit einem Kompass und mit Eisenfeilspänen ⓘ

Die magnetische Flussdichte (auch magnetisches B-Feld oder einfach nur Magnetfeld genannt, gewöhnlich mit B bezeichnet) ist ein Vektorfeld. Der Vektor des magnetischen B-Feldes an einem bestimmten Punkt im Raum wird durch zwei Eigenschaften bestimmt:

1. Seine Richtung, die entlang der Ausrichtung einer Kompassnadel verläuft.
2. Seine Größe (auch Stärke genannt), die proportional dazu ist, wie stark sich die Kompassnadel entlang dieser Richtung ausrichtet. ⓘ

In SI-Einheiten wird die Stärke des magnetischen Feldes B in Tesla angegeben. ⓘ

Magnetisches Moment

Das magnetische Moment eines Magneten (auch magnetisches Dipolmoment genannt und gewöhnlich mit μ bezeichnet) ist ein Vektor, der die magnetischen Eigenschaften des Magneten insgesamt charakterisiert. Bei einem Stabmagneten zeigt die Richtung des magnetischen Moments vom Südpol des Magneten zu seinem Nordpol, und die Größe bezieht sich darauf, wie stark und wie weit diese Pole voneinander entfernt sind. In SI-Einheiten wird das magnetische Moment in A-m² (Ampere mal Meter zum Quadrat) angegeben. ⓘ

Ein Magnet erzeugt sowohl sein eigenes Magnetfeld als auch reagiert er auf Magnetfelder. Die Stärke des Magnetfelds, das er erzeugt, ist an jedem beliebigen Punkt proportional zur Größe seines magnetischen Moments. Wenn der Magnet in ein externes Magnetfeld gebracht wird, das von einer anderen Quelle erzeugt wird, unterliegt er außerdem einem Drehmoment, das dazu führt, dass das magnetische Moment parallel zum Feld ausgerichtet wird. Der Betrag dieses Drehmoments ist sowohl dem magnetischen Moment als auch dem externen Feld proportional. Ein Magnet kann auch einer Kraft unterworfen sein, die ihn in die eine oder andere Richtung treibt, je nach Position und Ausrichtung des Magneten und der Quelle. Wenn das Feld im Raum gleichmäßig ist, wirkt auf den Magneten keine Nettokraft, obwohl er einem Drehmoment unterworfen ist. ⓘ

Ein kreisförmiger Draht mit der Fläche A, der einen Strom I führt, hat ein magnetisches Moment der Größe IA. ⓘ

Magnetisierung

Die Magnetisierung eines magnetisierten Materials ist der lokale Wert seines magnetischen Moments pro Volumeneinheit, gewöhnlich mit M bezeichnet, mit der Einheit A/m. Es handelt sich um ein Vektorfeld und nicht nur um einen Vektor (wie das magnetische Moment), da verschiedene Bereiche in einem Magneten mit unterschiedlichen Richtungen und Stärken magnetisiert werden können (z. B. aufgrund von Domänen, siehe unten). Ein guter Stabmagnet kann ein magnetisches Moment der Größe 0,1 A-m² und ein Volumen von 1 cm³ oder 1×10-6 m³ haben, so dass die durchschnittliche Magnetisierungsgröße 100.000 A/m beträgt. Eisen kann eine Magnetisierung von etwa einer Million Ampere pro Meter haben. Dieser große Wert erklärt, warum Eisenmagnete so effektiv Magnetfelder erzeugen können. ⓘ

Modellierung von Magneten

Feld eines zylindrischen Stabmagneten, der genau berechnet wurde ⓘ

Es gibt zwei verschiedene Modelle für Magnete: Magnetpole und Atomströme. ⓘ

Auch wenn es für viele Zwecke praktisch ist, sich einen Magneten so vorzustellen, als hätte er unterschiedliche magnetische Nord- und Südpole, sollte das Konzept der Pole nicht wörtlich genommen werden: Es ist lediglich eine Bezeichnung für die beiden unterschiedlichen Enden eines Magneten. Der Magnet hat keine ausgeprägten Nord- oder Südteilchen auf gegenüberliegenden Seiten. Wenn man einen Stabmagneten in zwei Teile zerbricht und versucht, die Nord- und Südpole zu trennen, erhält man zwei Stabmagnete, von denen jeder sowohl einen Nord- als auch einen Südpol hat. Eine Variante des Magnetpolansatzes wird jedoch von professionellen Magnetikern zur Konstruktion von Dauermagneten verwendet. ⓘ

Bei diesem Ansatz wird die Divergenz der Magnetisierung ∇-M im Inneren eines Magneten als eine Verteilung magnetischer Monopole behandelt. Dies ist eine mathematische Vereinfachung und bedeutet nicht, dass es tatsächlich Monopole im Magneten gibt. Wenn die Verteilung der Magnetpole bekannt ist, ergibt das Polmodell das Magnetfeld H. Außerhalb des Magneten ist das Feld B proportional zu H, während innerhalb des Magneten die Magnetisierung zu H addiert werden muss. ⓘ

Ein weiteres Modell ist das Ampère-Modell, bei dem die gesamte Magnetisierung auf die Wirkung mikroskopischer oder atomarer, kreisförmig gebundener Ströme, auch Ampèrsche Ströme genannt, im gesamten Material zurückzuführen ist. Bei einem gleichmäßig magnetisierten zylindrischen Stabmagneten besteht der Nettoeffekt der mikroskopischen gebundenen Ströme darin, dass sich der Magnet so verhält, als ob ein makroskopisches Blatt aus elektrischem Strom um die Oberfläche fließt, wobei die lokale Flussrichtung senkrecht zur Zylinderachse verläuft. Die mikroskopischen Ströme in den Atomen im Inneren des Materials werden im Allgemeinen durch die Ströme in den benachbarten Atomen aufgehoben, so dass nur die Oberfläche einen Nettobeitrag leistet; das Abschaben der äußeren Schicht eines Magneten zerstört nicht sein Magnetfeld, sondern hinterlässt eine neue Oberfläche mit nicht aufgehobenen Strömen aus den Kreisströmen im gesamten Material. Die Rechte-Hand-Regel gibt an, in welche Richtung der positiv geladene Strom fließt. In der Praxis ist jedoch der Strom durch negativ geladene Elektrizität weitaus häufiger anzutreffen. ⓘ

Polarität

Der Nordpol eines Magneten ist definiert als derjenige Pol, der bei frei schwebendem Magneten in Richtung des magnetischen Nordpols der Erde in der Arktis zeigt (der magnetische und der geografische Pol stimmen nicht überein, siehe magnetische Deklination). Da sich entgegengesetzte Pole (Nord und Süd) anziehen, ist der magnetische Nordpol eigentlich der Südpol des Erdmagnetfeldes. Um festzustellen, welcher Pol eines Magneten Norden und welcher Süden ist, ist es in der Praxis nicht notwendig, das Magnetfeld der Erde zu verwenden. Eine Methode wäre zum Beispiel der Vergleich mit einem Elektromagneten, dessen Pole mit der Rechten-Hand-Regel bestimmt werden können. Man geht davon aus, dass die Magnetfeldlinien eines Magneten am Nordpol des Magneten austreten und am Südpol wieder eintreten. ⓘ

Magnetische Materialien

Der Begriff Magnet ist in der Regel für Objekte reserviert, die auch ohne ein angelegtes Magnetfeld ein eigenes dauerhaftes Magnetfeld erzeugen. Dies ist nur bei bestimmten Klassen von Materialien möglich. Die meisten Materialien erzeugen jedoch ein Magnetfeld als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld - ein Phänomen, das als Magnetismus bekannt ist. Es gibt mehrere Arten von Magnetismus, und alle Materialien weisen mindestens eine davon auf. ⓘ

Das gesamte magnetische Verhalten eines Materials kann sehr unterschiedlich sein und hängt von der Struktur des Materials ab, insbesondere von seiner Elektronenkonfiguration. Mehrere Formen magnetischen Verhaltens wurden in verschiedenen Materialien beobachtet, darunter:

• Ferromagnetische und ferrimagnetische Materialien werden normalerweise als magnetisch angesehen; sie werden von einem Magneten so stark angezogen, dass die Anziehung spürbar ist. Diese Materialien sind die einzigen, die ihre Magnetisierung beibehalten und zu Magneten werden können; ein gängiges Beispiel ist ein herkömmlicher Kühlschrankmagnet. Ferrimagnetische Materialien, zu denen Ferrite und die ältesten magnetischen Materialien Magnetit und lodstein gehören, sind ähnlich, aber schwächer als Ferromagnete. Der Unterschied zwischen ferro- und ferrimagnetischen Materialien hängt mit ihrer mikroskopischen Struktur zusammen, wie in Magnetismus erklärt.
• Paramagnetische Stoffe, wie Platin, Aluminium und Sauerstoff, werden von beiden Polen eines Magneten schwach angezogen. Diese Anziehungskraft ist hunderttausendmal schwächer als die von ferromagnetischen Stoffen, so dass sie nur mit empfindlichen Instrumenten oder extrem starken Magneten nachgewiesen werden kann. Magnetische Ferrofluide werden, obwohl sie aus winzigen ferromagnetischen Partikeln bestehen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, manchmal als paramagnetisch bezeichnet, da sie nicht magnetisiert werden können.
• Diamagnetisch bedeutet, dass sie von beiden Polen abgestoßen werden. Im Vergleich zu paramagnetischen und ferromagnetischen Stoffen werden diamagnetische Stoffe, wie Kohlenstoff, Kupfer, Wasser und Kunststoff, von einem Magneten noch schwächer abgestoßen. Die Permeabilität von diamagnetischen Stoffen ist geringer als die Permeabilität des Vakuums. Alle Stoffe, die keine der anderen Arten von Magnetismus besitzen, sind diamagnetisch; dies gilt für die meisten Stoffe. Obwohl die Kraft, die ein gewöhnlicher Magnet auf ein diamagnetisches Objekt ausübt, viel zu schwach ist, um spürbar zu sein, können mit extrem starken supraleitenden Magneten diamagnetische Objekte wie Bleistücke und sogar Mäuse in der Luft schweben gelassen werden. Supraleiter stoßen Magnetfelder aus ihrem Inneren ab und sind stark diamagnetisch. ⓘ

Es gibt verschiedene andere Arten von Magnetismus, wie Spin-Glas, Superparamagnetismus, Superdiamagnetismus und Metamagnetismus. ⓘ

Allgemeine Anwendungen

Festplattenlaufwerke zeichnen Daten auf einer dünnen magnetischen Beschichtung auf ⓘ

Magnetischer Handseparator für schwere Mineralien ⓘ

• Magnetische Aufzeichnungsmedien: VHS-Bänder enthalten eine Spule mit Magnetband. Die Informationen, aus denen Bild und Ton bestehen, sind auf der magnetischen Beschichtung des Bandes kodiert. Gängige Audiokassetten basieren ebenfalls auf Magnetbändern. In ähnlicher Weise zeichnen Disketten und Festplatten in Computern Daten auf einer dünnen Magnetschicht auf.
• Kredit-, Debit- und Geldautomatenkarten: Alle diese Karten haben auf einer Seite einen Magnetstreifen. Auf diesem Streifen sind die Informationen verschlüsselt, mit denen das Finanzinstitut einer Person kontaktiert und eine Verbindung zu ihrem Konto/ihren Konten hergestellt werden kann.
• Ältere Fernsehgeräte (ohne Flachbildschirm) und ältere große Computermonitore: Fernseh- und Computerbildschirme, die eine Kathodenstrahlröhre enthalten, verwenden einen Elektromagneten, um Elektronen auf den Bildschirm zu leiten.
• Lautsprecher und Mikrofone: Die meisten Lautsprecher verwenden einen Dauermagneten und eine stromdurchflossene Spule, um elektrische Energie (das Signal) in mechanische Energie (Bewegung, die den Ton erzeugt) umzuwandeln. Die Spule ist um einen Spulenkörper gewickelt, der an der Lautsprechermembran befestigt ist, und überträgt das Signal in Form von wechselndem Strom, der mit dem Feld des Dauermagneten wechselwirkt. Die Schwingspule spürt eine magnetische Kraft und bewegt als Reaktion darauf die Membran und setzt die umgebende Luft unter Druck, wodurch Schall erzeugt wird. Dynamische Mikrofone arbeiten nach demselben Konzept, allerdings in umgekehrter Weise. Ein Mikrofon hat eine Membran, die an einer Drahtspule befestigt ist. Die Spule befindet sich in einem speziell geformten Magneten. Wenn der Schall die Membran in Schwingung versetzt, wird auch die Spule in Schwingung versetzt. Wenn sich die Spule durch das Magnetfeld bewegt, wird eine Spannung in der Spule induziert. Diese Spannung treibt einen Strom durch den Draht, der für den ursprünglichen Klang charakteristisch ist.
• E-Gitarren verwenden magnetische Tonabnehmer, um die Schwingungen der Gitarrensaiten in elektrischen Strom umzuwandeln, der dann verstärkt werden kann. Dieses Prinzip unterscheidet sich vom Prinzip des Lautsprechers und des dynamischen Mikrofons, da die Schwingungen direkt vom Magneten abgenommen werden und keine Membran verwendet wird. Die Hammond-Orgel verwendet ein ähnliches Prinzip, mit rotierenden Tonrädern anstelle von Saiten.
• Elektromotoren und Generatoren: Einige Elektromotoren basieren auf einer Kombination aus einem Elektromagneten und einem Permanentmagneten und wandeln, ähnlich wie Lautsprecher, elektrische Energie in mechanische Energie um. Ein Generator ist das Gegenteil: Er wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, indem er einen Leiter durch ein Magnetfeld bewegt.
• Medizin: Krankenhäuser nutzen die Magnetresonanztomographie, um Probleme in den Organen eines Patienten zu erkennen, ohne dass ein chirurgischer Eingriff erforderlich ist.
• Chemie: Chemiker nutzen die kernmagnetische Resonanz, um synthetische Verbindungen zu charakterisieren.
• In der Metallverarbeitung werden Spannfutter verwendet, um Objekte zu halten. Magnete werden auch in anderen Arten von Befestigungsvorrichtungen verwendet, wie z. B. dem Magnetfuß, dem Haftmagneten und dem Kühlschrankmagneten.
• Kompasse: Ein Kompass (oder Seemannskompass) ist ein magnetisierter Zeiger, der sich frei nach einem Magnetfeld ausrichten kann, meistens dem Erdmagnetfeld.
• Kunst: Vinylmagnetfolien können an Gemälden, Fotografien und anderen Ziergegenständen befestigt werden, so dass sie an Kühlschränken und anderen Metallflächen angebracht werden können. Objekte und Farbe können direkt auf die Magnetoberfläche aufgebracht werden, um Kunstwerke in Form von Collagen zu schaffen. Magnetische Metalltafeln, -leisten, -türen, Mikrowellenherde, Geschirrspüler, Autos, Metallträger und jede Metalloberfläche können für magnetische Vinylkunst verwendet werden.
• Wissenschaftliche Projekte: Viele Fragen zu diesem Thema beziehen sich auf Magnete, z. B. die Abstoßung von stromführenden Drähten, die Auswirkung der Temperatur und Motoren mit Magneten. ⓘ

Magnete werden in vielen Spielzeugen verwendet. M-tic verwendet Magnetstäbe, die mit Metallkugeln verbunden sind, zum Bauen. ⓘ

• Spielzeug: Da Magnete in der Lage sind, der Schwerkraft im Nahbereich entgegenzuwirken, werden sie häufig in Kinderspielzeug wie dem Magnet-Space-Wheel und dem Levitron verwendet, das einen amüsanten Effekt hat.
• Kühlschrankmagnete werden zur Verschönerung von Küchen, als Souvenir oder einfach, um eine Notiz oder ein Foto an der Kühlschranktür zu befestigen, verwendet.
• Magnete können zur Herstellung von Schmuck verwendet werden. Halsketten und Armbänder können einen magnetischen Verschluss haben oder ganz aus einer Reihe von Magneten und eisenhaltigen Perlen zusammengesetzt sein.
• Magnete können magnetische Gegenstände (Eisennägel, Heftklammern, Reißzwecken, Büroklammern) aufnehmen, die entweder zu klein, zu schwer zu erreichen oder zu dünn sind, um sie mit den Fingern zu greifen. Einige Schraubenzieher sind zu diesem Zweck magnetisiert.
• Magnete können in Schrott- und Bergungsbetrieben verwendet werden, um magnetische Metalle (Eisen, Kobalt und Nickel) von nichtmagnetischen Metallen (Aluminium, Nichteisenlegierungen usw.) zu trennen. Die gleiche Idee kann beim so genannten "Magnettest" angewandt werden, bei dem das Fahrgestell eines Autos mit einem Magneten untersucht wird, um Bereiche zu erkennen, die mit Glasfaser- oder Kunststoffspachtel repariert wurden.
• Magnete werden in der verarbeitenden Industrie, insbesondere in der Lebensmittelherstellung, eingesetzt, um metallische Fremdkörper aus Materialien zu entfernen, die in den Prozess gelangen (Rohstoffe), oder um eine mögliche Kontamination am Ende des Prozesses und vor der Verpackung zu erkennen. Sie stellen eine wichtige Schutzschicht für die Prozessausrüstung und den Endverbraucher dar.
• Die Magnetschwebebahn ist ein Transportmittel, bei dem Fahrzeuge (insbesondere Züge) durch elektromagnetische Kraft aufgehängt, geführt und angetrieben werden. Der Wegfall des Rollwiderstands erhöht die Effizienz. Die Höchstgeschwindigkeit einer Magnetschwebebahn beträgt 581 Kilometer pro Stunde (361 mph).
• Magnete können als Ausfallsicherung für einige Kabelverbindungen verwendet werden. So sind beispielsweise die Netzkabel einiger Laptops magnetisch, um eine versehentliche Beschädigung des Anschlusses zu verhindern, wenn man darüber stolpert. Der MagSafe-Stromanschluss des Apple MacBook ist ein solches Beispiel. ⓘ

Medizinische Fragen und Sicherheit

Da das menschliche Gewebe für statische Magnetfelder nur sehr wenig empfindlich ist, gibt es kaum wissenschaftliche Belege für eine gesundheitliche Auswirkung der Exposition gegenüber statischen Feldern. Anders verhält es sich bei dynamischen Magnetfeldern: Aufgrund demografischer Korrelationen wurden Zusammenhänge zwischen elektromagnetischer Strahlung und Krebsraten postuliert (siehe Elektromagnetische Strahlung und Gesundheit). ⓘ

Befindet sich ein ferromagnetischer Fremdkörper im menschlichen Gewebe, kann ein äußeres Magnetfeld, das mit ihm in Wechselwirkung tritt, ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko darstellen. ⓘ

Eine andere Art von indirektem magnetischem Gesundheitsrisiko besteht bei Herzschrittmachern. Wurde einem Patienten ein Herzschrittmacher in die Brust eingesetzt (in der Regel zur Überwachung und Regulierung des Herzens im Hinblick auf gleichmäßige, elektrisch induzierte Schläge), ist darauf zu achten, dass er von Magnetfeldern ferngehalten wird. Aus diesem Grund kann ein Patient, bei dem das Gerät installiert ist, nicht mit einem Kernspintomographen untersucht werden. ⓘ

Kinder verschlucken manchmal kleine Magnete aus Spielzeug, und dies kann gefährlich sein, wenn zwei oder mehr Magnete verschluckt werden, da die Magnete inneres Gewebe einklemmen oder durchstechen können. ⓘ

Magnetische Bildgebungsgeräte (z. B. MRTs) erzeugen enorme Magnetfelder, weshalb in den dafür vorgesehenen Räumen keine Eisenmetalle erlaubt sind. Die Mitnahme von Gegenständen aus Eisenmetallen (z. B. Sauerstoffflaschen) in einen solchen Raum stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, da diese Gegenstände durch die starken Magnetfelder durch die Gegend geschleudert werden können. ⓘ

Magnetisierung von Ferromagneten

Ferromagnetische Materialien können auf folgende Weise magnetisiert werden:

• Man erhitzt den Gegenstand über seine Curie-Temperatur, lässt ihn in einem Magnetfeld abkühlen und hämmert ihn beim Abkühlen. Dies ist die effektivste Methode und ähnelt den industriellen Verfahren zur Herstellung von Dauermagneten.
• Wenn man den Gegenstand in ein externes Magnetfeld legt, bleibt ein Teil des Magnetismus erhalten, wenn man ihn entfernt. Es hat sich gezeigt, dass Vibrationen den Effekt verstärken. Es hat sich gezeigt, dass eisenhaltige Materialien, die auf das Erdmagnetfeld ausgerichtet sind und Vibrationen ausgesetzt sind (z. B. der Rahmen eines Förderbandes), einen erheblichen Restmagnetismus entwickeln. Auch das Schlagen eines Stahlnagels mit den Fingern in N-S-Richtung mit einem Hammer führt zu einer vorübergehenden Magnetisierung des Nagels.
• Streicheln: Ein vorhandener Magnet wird wiederholt in der gleichen Richtung von einem Ende des Gegenstandes zum anderen bewegt (Einzelberührungsmethode) oder zwei Magnete werden von der Mitte eines dritten nach außen bewegt (Doppelberührungsmethode).
• Elektrischer Strom: Das Magnetfeld, das erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch eine Spule fließt, kann dazu führen, dass sich die Domänen aneinanderreihen. Sobald alle Bereiche ausgerichtet sind, führt eine Erhöhung des Stroms nicht mehr zu einer Erhöhung der Magnetisierung. ⓘ

Entmagnetisierung von Ferromagneten

Magnetisierte ferromagnetische Materialien können auf folgende Weise entmagnetisiert (oder entmagnetisiert) werden:

• Erhitzen eines Magneten über seine Curie-Temperatur hinaus; durch die Molekularbewegung wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen zerstört. Dadurch wird immer die gesamte Magnetisierung entfernt.
• Der Magnet wird in ein magnetisches Wechselfeld mit einer Stärke oberhalb der Koerzitivfeldstärke des Materials gebracht und dann entweder langsam herausgezogen oder das Magnetfeld wird langsam auf Null reduziert. Dieses Prinzip wird in handelsüblichen Entmagnetisierern zur Entmagnetisierung von Werkzeugen, zum Löschen von Kreditkarten und Festplatten sowie in Entmagnetisierungsspulen zur Entmagnetisierung von Bildröhren verwendet.
• Eine gewisse Entmagnetisierung oder Umkehrmagnetisierung tritt auf, wenn ein Teil des Magneten einem Umkehrfeld ausgesetzt wird, das über der Koerzitivfeldstärke des magnetischen Materials liegt.
• Die Entmagnetisierung erfolgt schrittweise, wenn der Magnet zyklischen Feldern ausgesetzt wird, die ausreichen, um den Magneten von dem linearen Teil im zweiten Quadranten der B-H-Kurve des Magnetmaterials (der Entmagnetisierungskurve) wegzubewegen.
• Hämmern oder Rütteln: Eine mechanische Störung führt zu einer zufälligen Verteilung der magnetischen Domänen und zu einer Verringerung der Magnetisierung eines Objekts, kann aber auch unannehmbare Schäden verursachen. ⓘ

Arten von Dauermagneten

Ein Stapel Ferritmagnete ⓘ

Magnetische Metallelemente

Viele Materialien haben ungepaarte Elektronenspins, und die meisten dieser Materialien sind paramagnetisch. Wenn die Spins so miteinander in Wechselwirkung treten, dass sie sich spontan ausrichten, werden die Materialien als ferromagnetisch bezeichnet (was oft auch locker als magnetisch bezeichnet wird). Aufgrund der Art und Weise, in der ihre regelmäßige kristalline Atomstruktur die Wechselwirkung ihrer Spins bewirkt, sind einige Metalle in ihrem natürlichen Zustand als Erze ferromagnetisch. Dazu gehören Eisenerz (Magnetit oder lodestone), Kobalt und Nickel sowie die Seltenerdmetalle Gadolinium und Dysprosium (bei sehr niedrigen Temperaturen). Solche natürlich vorkommenden Ferromagnete wurden bei den ersten Experimenten mit Magnetismus verwendet. Seitdem hat die Technik die Verfügbarkeit magnetischer Materialien auf verschiedene künstlich hergestellte Produkte erweitert, die jedoch alle auf natürlich magnetischen Elementen basieren. ⓘ

Zusammengesetzte Materialien

Keramische Magnete oder Ferritmagnete bestehen aus einem gesinterten Verbundwerkstoff aus pulverisiertem Eisenoxid und Barium-/Strontiumkarbonat-Keramik. Aufgrund der geringen Kosten für die Materialien und Herstellungsverfahren können preiswerte Magnete (oder nicht magnetisierte ferromagnetische Kerne, die in elektronischen Komponenten wie tragbaren AM-Radioantennen verwendet werden) in verschiedenen Formen leicht in Massenproduktion hergestellt werden. Die resultierenden Magnete sind korrosionsbeständig, aber spröde und müssen wie andere Keramiken behandelt werden. ⓘ

Alnico-Magnete werden durch Gießen oder Sintern einer Kombination aus Aluminium, Nickel und Kobalt mit Eisen und kleinen Mengen anderer Elemente hergestellt, die die Eigenschaften des Magneten verbessern. Das Sintern bietet bessere mechanische Eigenschaften, während das Gießen höhere Magnetfelder liefert und die Gestaltung komplizierter Formen ermöglicht. Alnico-Magnete sind korrosionsbeständig und haben verzeihlichere physikalische Eigenschaften als Ferrit, sind aber nicht ganz so begehrt wie ein Metall. Zu den Handelsnamen für Legierungen dieser Familie gehören: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax und Ticonal. ⓘ

Spritzgegossene Magnete sind ein Verbundwerkstoff aus verschiedenen Harzarten und magnetischen Pulvern, der die Herstellung von Teilen mit komplexen Formen im Spritzgussverfahren ermöglicht. Die physikalischen und magnetischen Eigenschaften des Produkts hängen von den Rohstoffen ab, haben aber im Allgemeinen eine geringere Magnetstärke und ähneln in ihren physikalischen Eigenschaften Kunststoffen. ⓘ

Flexible Magnete bestehen aus einer ferromagnetischen Verbindung mit hoher Koerzitivkraft (in der Regel Eisenoxid), die mit einem Kunststoffbindemittel vermischt ist. Diese wird als Platte extrudiert und über eine Reihe starker zylindrischer Dauermagnete geführt. Diese Magnete sind in einem Stapel mit abwechselnd nach oben gerichteten Magnetpolen (N, S, N, S...) auf einer rotierenden Welle angeordnet. Dadurch wird die Kunststoffplatte mit den Magnetpolen in einem alternierenden Linienformat bedruckt. Zur Erzeugung der Magnete wird kein Elektromagnetismus verwendet. Der Pol-zu-Pol-Abstand liegt in der Größenordnung von 5 mm, variiert jedoch je nach Hersteller. Diese Magnete haben eine geringere Magnetstärke, können aber je nach dem verwendeten Bindemittel sehr flexibel sein. ⓘ

Seltene-Erden-Magnete

Eiförmige Magnete (möglicherweise Hämatin), die aneinander hängen ⓘ

Seltene Erden (Lanthanoide) haben eine teilweise besetzte f-Elektronenschale (die bis zu 14 Elektronen beherbergen kann). Der Spin dieser Elektronen kann ausgerichtet werden, was zu sehr starken Magnetfeldern führt. Daher werden diese Elemente in kompakten, hochfesten Magneten verwendet, bei denen ihr höherer Preis keine Rolle spielt. Die gebräuchlichsten Arten von Seltenerdmagneten sind Samarium-Kobalt- und Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NIB). ⓘ

Einzelmolekülmagnete (SMMs) und Einzelkettenmagnete (SCMs)

In den 1990er Jahren wurde entdeckt, dass bestimmte Moleküle, die paramagnetische Metallionen enthalten, in der Lage sind, bei sehr niedrigen Temperaturen ein magnetisches Moment zu speichern. Diese unterscheiden sich stark von herkömmlichen Magneten, die Informationen auf der Ebene magnetischer Domänen speichern, und könnten theoretisch ein wesentlich dichteres Speichermedium als herkömmliche Magnete darstellen. In dieser Richtung wird derzeit an Monoschichten aus SMMs geforscht. In aller Kürze sind die beiden wichtigsten Eigenschaften eines SMMs

1. ein großer Spinwert im Grundzustand (S), der durch ferromagnetische oder ferrimagnetische Kopplung zwischen den paramagnetischen Metallzentren entsteht
2. ein negativer Wert der Anisotropie der Nullfeldaufspaltung (D) ⓘ

Die meisten SMMs enthalten Mangan, aber auch Vanadium-, Eisen-, Nickel- und Kobaltcluster sind zu finden. In jüngerer Zeit hat man festgestellt, dass einige Kettensysteme auch bei höheren Temperaturen eine lange anhaltende Magnetisierung aufweisen können. Diese Systeme werden als einkettige Magnete bezeichnet. ⓘ

Nanostrukturierte Magnete

Einige nanostrukturierte Materialien weisen Energiewellen, so genannte Magnonen, auf, die sich nach Art eines Bose-Einstein-Kondensats zu einem gemeinsamen Grundzustand vereinigen. ⓘ

Seltene-Erden-freie Dauermagnete

Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat die Notwendigkeit erkannt, Ersatz für Seltenerdmetalle in der Dauermagnettechnologie zu finden, und hat mit der Finanzierung dieser Forschung begonnen. Die Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) hat ein REACT-Programm (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies) zur Entwicklung alternativer Materialien gesponsert. Im Jahr 2011 vergab ARPA-E 31,6 Millionen Dollar zur Finanzierung von Projekten für Seltene-Erden-Ersatzstoffe. ⓘ

Kosten

Die derzeit billigsten Dauermagnete, was die Feldstärken angeht, sind flexible und keramische Magnete, die aber auch zu den schwächsten Typen gehören. Die Ferritmagnete sind vor allem kostengünstige Magnete, da sie aus billigen Rohstoffen hergestellt werden: Eisenoxid und Ba- oder Sr-Karbonat. Es wurde jedoch ein neuer kostengünstiger Magnet, eine Mn-Al-Legierung, entwickelt, der jetzt den Bereich der kostengünstigen Magnete beherrscht. Sie hat eine höhere Sättigungsmagnetisierung als die Ferritmagnete. Sie hat auch günstigere Temperaturkoeffizienten, obwohl sie thermisch instabil sein kann. Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NIB) gehören zu den stärksten. Sie kosten pro Kilogramm mehr als die meisten anderen Magnetwerkstoffe, sind aber aufgrund ihres intensiven Feldes kleiner und in vielen Anwendungen billiger. ⓘ

Temperatur

Die Temperaturempfindlichkeit ist unterschiedlich, aber wenn ein Magnet auf eine Temperatur erhitzt wird, die als Curie-Punkt bekannt ist, verliert er seinen gesamten Magnetismus, auch wenn er unter diese Temperatur abkühlt. Die Magnete können jedoch oft wieder magnetisiert werden. ⓘ

Außerdem sind einige Magnete spröde und können bei hohen Temperaturen zerbrechen. ⓘ

Die höchste nutzbare Temperatur liegt bei Alnico-Magneten bei über 540 °C (1.000 °F), bei Ferrit und SmCo bei etwa 300 °C (570 °F), bei NIB bei etwa 140 °C (280 °F) und bei flexiblen Keramiken darunter, aber die genauen Zahlen hängen von der Materialqualität ab. ⓘ

Elektromagnete

Ein Elektromagnet ist in seiner einfachsten Form ein Draht, der zu einer oder mehreren Schleifen gewickelt ist, die als Solenoid bezeichnet werden. Wenn elektrischer Strom durch den Draht fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt. Es konzentriert sich in der Nähe (und vor allem im Inneren) der Spule, und seine Feldlinien sind denen eines Magneten sehr ähnlich. Die Ausrichtung dieses effektiven Magneten wird durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt. Das magnetische Moment und das Magnetfeld des Elektromagneten sind proportional zur Anzahl der Drahtschleifen, zum Querschnitt der einzelnen Schleifen und zum Strom, der durch den Draht fließt. ⓘ

Wird die Drahtspule um ein Material ohne besondere magnetische Eigenschaften (z. B. Pappe) gewickelt, so wird sie ein sehr schwaches Feld erzeugen. Wickelt man die Spule jedoch um ein weiches ferromagnetisches Material, z. B. einen Eisennagel, dann kann das erzeugte Nettofeld die Feldstärke um das Hundert- bis Tausendfache erhöhen. ⓘ

Zu den Anwendungen von Elektromagneten gehören Teilchenbeschleuniger, Elektromotoren, Schrottplatzkräne und Magnetresonanztomographen. Bei einigen Anwendungen werden Konfigurationen verwendet, die über einen einfachen magnetischen Dipol hinausgehen; so werden beispielsweise Quadrupol- und Sextupolmagnete zur Fokussierung von Teilchenstrahlen eingesetzt. ⓘ

Einheiten und Berechnungen

Für die meisten technischen Anwendungen werden üblicherweise MKS- (rationalisierte) oder SI-Einheiten (Système International) verwendet. Zwei andere Einheiten, Gauß und CGS-EMU, sind für magnetische Eigenschaften identisch und werden in der Physik häufig verwendet. ⓘ

In allen Einheiten ist es zweckmäßig, zwei Arten von Magnetfeldern, B und H, sowie die Magnetisierung M, definiert als das magnetische Moment pro Volumeneinheit, zu verwenden. ⓘ

1. Das magnetische Induktionsfeld B wird in SI-Einheiten von Tesla (T) angegeben. B ist das magnetische Feld, dessen zeitliche Veränderung nach dem Faradayschen Gesetz zirkulierende elektrische Felder erzeugt (die von den Stromversorgern verkauft werden). B erzeugt auch eine Ablenkungskraft auf sich bewegende geladene Teilchen (wie in Fernsehröhren). Das Tesla entspricht dem magnetischen Fluss (in Weber) pro Flächeneinheit (in Metern zum Quadrat), wodurch B die Einheit einer Flussdichte erhält. Bei CGS ist die Einheit von B das Gauß (G). Ein Tesla entspricht 10⁴ G.
2. Das Magnetfeld H wird in SI-Einheiten von Ampereturns pro Meter (A-turn/m) angegeben. Die Windungen werden angegeben, weil der Wert von H, der von einem stromdurchflossenen Draht erzeugt wird, proportional zur Anzahl der Windungen des Drahtes ist. In CGS ist die Einheit von H das Oersted (Oe). Eine A-Windung/m entspricht 4π×10-3 Oe.
3. Die Magnetisierung M wird in SI-Einheiten von Ampere pro Meter (A/m) angegeben. In CGS ist die Einheit von M das Oersted (Oe). Ein A/m entspricht 10-3 emu/cm³. Ein guter Dauermagnet kann eine Magnetisierung von bis zu einer Million Ampere pro Meter haben.
4. In SI-Einheiten gilt die Beziehung B = μ₀(H + M), wobei μ₀ die Permeabilität des Raums ist, die 4π×10-7 T-m/A entspricht. In CGS wird sie geschrieben als B = H + 4πM. (Der Polansatz ergibt μ₀H in SI-Einheiten. Ein μ₀M-Term in SI muss dann dieses μ₀H ergänzen, um das korrekte Feld innerhalb von B, dem Magneten, zu erhalten. Es wird mit dem Feld B übereinstimmen, das mit Hilfe der amperischen Ströme berechnet wurde). ⓘ

Materialien, die keine Dauermagneten sind, erfüllen in der Regel die Beziehung M = χH in SI, wobei χ die (dimensionslose) magnetische Suszeptibilität ist. Die meisten nichtmagnetischen Materialien haben ein relativ kleines χ (in der Größenordnung von einem Millionstel), aber Weichmagnete können χ in der Größenordnung von Hunderten oder Tausenden haben. Für Materialien, die M = χH erfüllen, können wir auch B = μ₀(1 + χ)H = μ₀μrH = μH schreiben, wobei μr = 1 + χ die (dimensionslose) relative Permeabilität und μ =μ₀μr die magnetische Permeabilität ist. Sowohl Hart- als auch Weichmagnete haben ein komplexeres, geschichtsabhängiges Verhalten, das durch so genannte Hystereseschleifen beschrieben wird, die entweder B gegen H oder M gegen H ergeben. Bei CGS ist M = χH, aber χ_SI = 4πχ_CGS, und μ = μr. ⓘ

Achtung: Auch weil es nicht genügend römische und griechische Symbole gibt, gibt es kein einheitliches Symbol für die magnetische Polstärke und das magnetische Moment. Das Symbol m wurde sowohl für die Polstärke (Einheit A-m, wobei das aufrechte m hier für Meter steht) als auch für das magnetische Moment (Einheit A-m²) verwendet. Das Symbol μ wird in einigen Texten für die magnetische Permeabilität und in anderen Texten für das magnetische Moment verwendet. Wir werden μ für die magnetische Permeabilität und m für das magnetische Moment verwenden. Für die Polstärke verwenden wir qm. Für einen Stabmagneten des Querschnitts A mit gleichmäßiger Magnetisierung M entlang seiner Achse ist die Polstärke durch qm = MA gegeben, so dass M als Polstärke pro Flächeneinheit betrachtet werden kann. ⓘ

Felder eines Magneten

Feldlinien von zylindrischen Magneten mit verschiedenen Seitenverhältnissen ⓘ

In großer Entfernung von einem Magneten wird das von diesem Magneten erzeugte Magnetfeld fast immer (in guter Näherung) durch ein Dipolfeld beschrieben, das durch das gesamte magnetische Moment des Magneten gekennzeichnet ist. Dies gilt unabhängig von der Form des Magneten, solange das magnetische Moment ungleich Null ist. Eine Eigenschaft eines Dipolfeldes ist, dass die Stärke des Feldes umgekehrt mit der dritten Potenz des Abstandes vom Zentrum des Magneten abnimmt. ⓘ

Je näher man sich dem Magneten nähert, desto komplizierter wird das Magnetfeld und desto mehr hängt es von der detaillierten Form und Magnetisierung des Magneten ab. Formal lässt sich das Feld durch eine Multipolentwicklung darstellen: Ein Dipolfeld, plus ein Quadrupolfeld, plus ein Oktupolfeld, usw. ⓘ

Im Nahbereich sind viele verschiedene Felder möglich. Bei einem langen, dünnen Stabmagneten zum Beispiel, dessen Nordpol an einem Ende und dessen Südpol am anderen Ende liegt, nimmt das Magnetfeld in der Nähe der beiden Enden umgekehrt mit dem Quadrat des Abstands zu diesem Pol ab. ⓘ

Berechnung der Magnetkraft

Anziehungskraft eines einzelnen Magneten

Die Stärke eines bestimmten Magneten wird manchmal in Form seiner Anziehungskraft angegeben - seiner Fähigkeit, ferromagnetische Gegenstände anzuziehen. Die Anziehungskraft eines Elektromagneten oder eines Permanentmagneten ohne Luftspalt (d. h. der ferromagnetische Gegenstand steht in direktem Kontakt mit dem Pol des Magneten) wird durch die Maxwell-Gleichung beschrieben:

$F={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}}}$, ⓘ

wobei

F ist die Kraft (SI-Einheit: Newton)

A der Querschnitt der Fläche des Pols in Quadratmetern

B ist die magnetische Induktion, die vom Magneten ausgeübt wird ⓘ

Dieses Ergebnis lässt sich leicht mit Hilfe des Gilbert-Modells herleiten, das davon ausgeht, dass der Pol des Magneten mit magnetischen Monopolen geladen ist, die dasselbe in dem ferromagnetischen Objekt induzieren. ⓘ

Wenn ein Magnet vertikal wirkt, kann er eine Masse m in Kilogramm anheben, die durch die einfache Gleichung gegeben ist:

$m={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}g}},$ ⓘ

wobei g die Erdbeschleunigung ist. ⓘ

Kraft zwischen zwei Magnetpolen

Klassischerweise ist die Kraft zwischen zwei Magnetpolen gegeben durch:

$F={{\mu q_{m1}q_{m2}} \over {4\pi r^{2}}}$ ⓘ

wobei

F ist die Kraft (SI-Einheit: Newton)

q_m1 und q_m2 sind die Größen der magnetischen Pole (SI-Einheit: Ampere-Meter)

μ ist die Permeabilität des dazwischenliegenden Mediums (SI-Einheit: Tesla-Meter pro Ampere, Henry pro Meter oder Newton pro Ampere zum Quadrat)

r ist der Abstand (SI-Einheit: Meter). ⓘ

Die Beschreibung der Pole ist für Ingenieure, die reale Magnete entwerfen, nützlich, aber reale Magnete haben eine komplexere Polverteilung als einen einzigen Nord- und Südpol. Daher ist die Umsetzung des Polkonzepts nicht einfach. In manchen Fällen ist eine der komplexeren Formeln, die unten angegeben sind, nützlicher. ⓘ

Kraft zwischen zwei nahe beieinander liegenden magnetisierten Flächen der Fläche A

Die mechanische Kraft zwischen zwei nahe beieinander liegenden magnetisierten Flächen kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden. Die Gleichung gilt nur für Fälle, in denen der Effekt des Fransens vernachlässigbar ist und das Volumen des Luftspalts viel kleiner ist als das des magnetisierten Materials:

$F={\frac {\mu _{0}H^{2}A}{2}}={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}$

wobei:

A ist die Fläche jeder Oberfläche, in m²

H ihr magnetisierendes Feld, in A/m

μ₀ ist die Permeabilität des Raums, die 4π×10-7 T-m/A entspricht

B ist die Flussdichte in T. ⓘ

Kraft zwischen zwei Stabmagneten

Die Kraft zwischen zwei identischen zylindrischen Stabmagneten, die in großem Abstand nebeneinander angeordnet sind $z\gg R$ ist ungefähr:,

$F\simeq \left[{\frac {B_{0}^{2}A^{2}\left(L^{2}+R^{2}\right)}{\pi \mu _{0}L^{2}}}\right]\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]$ ⓘ

wobei:

B₀ ist die magnetische Flussdichte in unmittelbarer Nähe jedes Pols, in T,

A ist die Fläche jedes Pols, in m²,

L ist die Länge jedes Magneten in m,

R ist der Radius jedes Magneten in m, und

z ist der Abstand zwischen den beiden Magneten in m. ⓘ

$B_{0}\,=\,{\frac {\mu _{0}}{2}}M$ setzt die Flussdichte am Pol mit der Magnetisierung des Magneten in Beziehung. ⓘ

Man beachte, dass alle diese Formulierungen auf dem Gilbert-Modell beruhen, das für relativ große Entfernungen geeignet ist. Bei anderen Modellen (z. B. dem Ampère-Modell) wird eine kompliziertere Formulierung verwendet, die manchmal nicht analytisch gelöst werden kann. In diesen Fällen müssen numerische Methoden verwendet werden. ⓘ

Kraft zwischen zwei zylindrischen Magneten

Für zwei zylindrische Magnete mit Radius $R$ und Länge $L$, deren magnetische Dipole ausgerichtet sind, kann die Kraft bei großem Abstand asymptotisch angenähert werden $z\gg R$ durch, ⓘ

$F(z)\simeq {\frac {\pi \mu _{0}}{4}}M^{2}R^{4}\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]$ ⓘ

wobei $M$ ist die Magnetisierung der Magnete und $z$ der Spalt zwischen den Magneten ist. Eine Messung der magnetischen Flussdichte in unmittelbarer Nähe des Magneten $B_{0}$ ist verbunden mit $M$ ungefähr durch die Formel ⓘ

$B_{0}={\frac {\mu _{0}}{2}}M$ ⓘ

Der effektive magnetische Dipol kann wie folgt beschrieben werden ⓘ

$m=MV$ ⓘ

wobei $V$ das Volumen des Magneten ist. Für einen Zylinder ist dies $V=\pi R^{2}L$. ⓘ

Wenn $z\gg L$ist, erhält man die Punkt-Dipol-Näherung, ⓘ

$F(x)={\frac {3\pi \mu _{0}}{2}}M^{2}R^{4}L^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}M^{2}V^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}m_{1}m_{2}{\frac {1}{z^{4}}}$ ⓘ

die dem Ausdruck für die Kraft zwischen zwei magnetischen Dipolen entspricht. ⓘ

Grundlagen

Die Richtung und Stärke magnetischer Kräfte kann man durch Feldlinien anschaulich darstellen. Ein Magnet besitzt ein Magnetfeld, das durch seine Oberfläche hindurch auch in sein Inneres reicht. Die Oberflächenbereiche, die vom überwiegenden Teil des Magnetfeldes durchsetzt werden, heißen die Pole des Magneten; nach gängiger Konvention treten die Feldlinien am „Südpol“ (meist grün dargestellt) in den Magneten ein und am „Nordpol“ (meist rot dargestellt) aus. Die Magnetfeldrichtung ist durch die Kraftwirkung auf einen Probemagneten definiert. ⓘ

Magnetische Monopole, also einzelne Nord- oder Südpole ohne ihren Widerpart, sind spekulativer Natur und konnten bisher nicht experimentell nachgewiesen werden. Zwar haben Experimente monopolähnliche Strukturen in bestimmten Festkörpern nachgewiesen; diese treten aber nur paarweise auf und können zwar als Quellen der Magnetisierung, aber nicht des Magnetfelds selbst angesehen werden (siehe Magnetischer Monopol). ⓘ

Auch viele Gesteine haben magnetische Eigenschaften. Das Erdmagnetfeld, nach dem sich Kompassnadeln ausrichten, entsteht nur zu einem geringen Teil durch solche magnetisierten Gesteine in der Erdkruste und zum großen Teil durch tiefer liegende Strömungen von elektrisch leitender Materie, also konkreten, makroskopischen Strömen. ⓘ

Man unterscheidet folgende Arten des Magnetismus:

• Diamagnetismus
• Paramagnetismus
• Ferromagnetismus
• Antiferromagnetismus
• Ferrimagnetismus ⓘ

Magnetmineral in russischer Messingfassung. 18. Jahrhundert. Focke-Museum, Bremen ⓘ

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 vor allem dem Kompass. Dessen Prinzip war schon im vorchristlichen China und in der griechischen Antike bekannt. Nach dem römischen Dichter Lukrez (De rerum natura) wurden die Magneteisensteine nach der Landschaft Magnesia in Griechenland benannt, wo diese Steine schon sehr früh gefunden wurden. Eine weitere Anwendung war die Entfernung von in den Körper eingedrungenen Eisenspitzen aus einer Wunde. Solche „Magnetoperationen“ sind bereits in der altindischen Medizin nachweisbar und wurden später auch von Wilhelm Fabry beschrieben. ⓘ

Bei Augustinus wird das Bild vom Magneten (lateinisch lapis magnetis) noch allegorisch verwendet. 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, 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. 1820 entdeckte Hans Christian Ørsted die Zusammenhänge zwischen elektrischem Strom und Magnetismus. Erst dies war die Voraussetzung für die Entwicklung der Elektrotechnik. ⓘ

Dauermagnet

Handmagnet zum Abtrennen magnetischer Schwerminerale ⓘ

Dauermagneten (auch Permanentmagneten 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 Magneten werden im Sinterverfahren aus seltenen Erden hergestellt, wie zum Beispiel Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor. Verwendung finden Dauermagneten in Kompassen als Magnetnadel, in Elektromotoren, in elektrischen Messinstrumenten (zum Beispiel Drehspulinstrumenten), in Lautsprechern, Kopfhörern, Mikrofonen und Gitarrentonabnehmern sowie in vielen anderen modernen Geräten wie Druckköpfen von Nadeldruckern, Festplattenlaufwerken, Aktoren und Sensoren und Metall-Abscheidern. Die einfachste Anwendung als Haltemagnet auf Eisen hält Möbeltüren, Handtaschen, den Deckel einer extravaganten Kartonverpackung geschlossen, Dekoration oder Infotafeln an Blechstreben einer abgehängten Zwischendecke, Notizen auf einer „Magnettafel“ (eigentlich mittels Magnetknopf auf Blech), ein mit Stahlblech versehenes Smartphone auf einer Magnethalterung, eine Warn- oder Arbeitsleuchte auf Autoblech, Pseudopiercings etwa an der Wange. ⓘ

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 Dauermagneten hergestellt. ⓘ

Elektromagnet

Elektromagneten bestehen im Allgemeinen aus einer oder zwei stromdurchflossenen Spulen, meistens mit einem Kern aus einem weichmagnetischen Werkstoff, im einfachsten Fall aus Weicheisen. Diese Anordnung führt zu einem starken Magnetfeld, siehe hierzu Elektromagnetismus. Man verwendet Elektromagneten für zahlreiche kleine und große technische Einrichtungen, z. B. fremderregte Elektromotoren und Generatoren, Relais, Schütze, Zug-, Hub- und Stoßmagneten, elektrischer Türöffner. ⓘ

Wechselstrom-Elektromagneten finden sich in Membranpumpen (z. B. zur Aquarium-Belüftung) und Schwingförderern. ⓘ

Als Sonderfall weisen Ablenkspulen beispielsweise in einer Kathodenstrahlröhre keinen Kern auf und wirken so, als Luftspule, ebenfalls als Elektromagnet. ⓘ

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 Magneten sind z. B. für Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), Kernspintomografen oder kontinuierlich arbeitende Kernfusionsreaktoren erforderlich. Im Jahr 2009 besaß der stärkste kommerziell erhältliche NMR-Magnet eine Flussdichte von 23,5 T (Bruker). ⓘ

Anwendungen

Ablenkmagnet

Ablenkspule einer Kathodenstrahlröhre ⓘ

Ablenkmagnet in einem Synchrotron-Teilchenbeschleuniger ⓘ

Ein Ablenkmagnet ist ein Magnet (fast immer Elektromagnet), der in einem technischen Gerät eingesetzt wird, um einen Strahl aus geladenen Teilchen (z. B. Elektronen) in eine andere Richtung abzulenken. In diesem Fall wird auch eine kernlose Spule als Magnet bezeichnet. ⓘ

Ablenkmagneten nutzen die Lorentzkraft, die bewegte elektrische Ladungen in einem magnetischen Feld zu einer Richtungsänderung zwingt. Ist das Feld homogen, durchfliegen die Teilchen dabei einen Kreisbogen quer zur Magnetfeldrichtung. Das Magnetfeld kann permanent oder induktiv erzeugt werden. Letztere Variante erlaubt schnelle Änderungen der Feldstärke. ⓘ

Die Richtungsänderung dient meist der Fokussierung oder Lenkung eines Strahls. Zur Ablenkung von Elektronen sind Ablenkmagneten Bestandteile von:

• Kathodenstrahlröhren (Oszilloskope, Röhren-Monitore)
• Elektronenmikroskopen (magnetische Linsen im TEM, REM)
• Elektronenstrahl-Schweißanlagen ⓘ

Auch in Teilchenbeschleunigern und ihren Strahlführungen werden geladene Teilchen mit Dipolmagneten auf bestimmte Bahnen gelenkt. ⓘ

Umgekehrt erlaubt der Winkel der Richtungsänderung bei bekannter Ladung Rückschlüsse auf die Masse der abgelenkten Teilchen. Dies ist die Grundlage der Massenspektrometrie. ⓘ

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 sind die Magnethalterungen von Klapptischen in Interregio-Zügen der Deutschen Bahn AG, die nicht an der Arretierposition (Lehne), sondern im Tisch angebracht, also in der Tischauflagefläche eingearbeitet waren. Die Festplatten aufliegender Laptops wurden durch diese Magnethalterungen nicht nur gelöscht, sondern beschädigt, die Datenverluste konnten nicht rückgängig gemacht werden. Oft kommt es auch an Ladenkassen zur Zerstörung von EC-/Kreditkarten, weil dort manche Waren-Diebstahlsicherungen mittels eines starken Magneten entfernt werden. ⓘ