Dauermagnet

Ein Dauermagnet (auch Permanentmagnet) ist ein Magnet aus einem Stück eines magnetisierbaren Materials, zum Beispiel Eisen, Kobalt, Nickel oder Ferrit, welches sein statisches Magnetfeld behält, ohne dass man wie bei Elektromagneten einen elektrischen Stromfluss benötigt.

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

Dauermagnete besitzen an ihrer Oberfläche je einen oder mehrere Nord- und Südpol(e).

Grundlagen

Hysteresekurve eines magnetisierbaren Werkstoffes: ein äußeres Feld H magnetisiert einen vorher unmagnetischen Werkstoff (blaue Kurve) und hinterlässt nach dessen Rückgang auf null eine verbleibende Magnetisierung B_R

Ein Dauermagnet kann durch die Einwirkung eines Magnetfeldes auf ein ferrimagnetisches oder ferromagnetisches Material mit einer großflächigen Hysteresekurve (sogenanntes hartmagnetisches Material) erzeugt werden.

Durch ein abklingendes magnetisches Wechselfeld, Erwärmung oder Stoßeinwirkung kann es wieder entmagnetisiert werden.

Die im Alltag bekannteste Form sind Ferritmagnete, z. B. als Haftmagnet oder – mit Eisen-Polschuhen versehen – als Schranktür-Verschluss.

• Ein Permanentmagnet übt auf alle ferromagnetischen Stoffe wie z. B. Eisen und auf ferrimagnetische Stoffe, wie Ferrite eine Anziehung aus.
• Zwei Permanentmagnete ziehen sich mit ihren ungleichnamigen Polen an und stoßen gleichnamige Pole ab.

Entlang des Umfangs magnetisierte Ringe besitzen keine Pole (siehe z. B. Kernspeicher) und üben keine Kräfte aus – sie sind zwar magnetisiert, werden aber nicht als Dauermagnete bezeichnet. Magnetisierte Schichten von Magnetbändern, Magnetstreifen oder Festplatten besitzen zwar Pole, werden aber ebenfalls nicht als Dauermagnet bezeichnet.

Die Hysteresekurven von magnetisierbaren, also hartmagnetischen Materialien sind besonders breit und ähneln einem Rechteck, bei dem die fast senkrechten Kurven die Feldstärkeachse bei großen Feldstärken schneiden.

Bei weichmagnetischen Werkstoffen dagegen, wie zum Beispiel bei Blechen oder Ferriten für Transformator-Kerne, ist die Hysteresekurve sehr schmal und schneidet die Feldstärkeachse bei kleinen Feldstärkewerten. Solche Werkstoffe sind nicht für Dauermagnete geeignet.

Kenngrößen

Koerzitivfeldstärke H_C

Die Feldstärke, die aufgewendet werden muss, um den Magneten vollständig zu entmagnetisieren (Flussdichte B = 0) ist Schnittpunkt der Hysteresekurve mit der Achse der Feldstärke H. Je größer die Koerzitivfeldstärke, desto größer ist die Beständigkeit des Magneten gegen Entmagnetisierung durch äußere Felder.

Remanenz B_R

Mit Remanenz bezeichnet man die Flussdichte, die ohne äußeres Feld auftritt. Schnittpunkt der Hysteresekurve mit der Achse der Flussdichte B.

Energiedichte

Das Energieprodukt, auch BH-Produkt genannt, ist die gesamte im Magneten gespeicherte Feldenergie. Die Energiedichte ist die auf das Volumen des Magneten bezogene magnetische Energie.

Maximale Betriebstemperatur

Während die Curietemperatur den Punkt des Verschwindens der ferromagnetischen Eigenschaft eines Materials angibt, verschwindet die makroskopische Orientierung der Weiss-Bezirke und damit die Dauermagneteigenschaften schon bei deutlich geringeren Temperaturen irreversibel. Generell ist diese makroskopische Orientierung bei Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunkts instabil, im praktischen Gebrauch kann allerdings für die relevanten Materialien ein Temperaturbereich angegeben werden, in dem die unvermeidliche Demagnetisierung unmerklich langsam verläuft, bzw. im Wesentlichen durch mechanischen Stress bestimmt wird.

Dauermagnetmaterialien

Stahl

Hufeisenmagnet mit Eisenspänen an den Polen

Dauermagnete wurden früher aus Stahl erzeugt. Sie sind aber sehr schwach und lassen sich sehr leicht entmagnetisieren. Die bekannteste Form sind Hufeisenmagnete.

Magnetwerkstoffe auf Basis Eisen haben zu den Begriffen hartmagnetisch und weichmagnetisch geführt: harter, kohlenstoffreicher Stahl lässt sich dauermagnetisch machen, während sich kohlenstoffärmeres weiches Eisen (Weicheisen) kaum dauermagnetisieren lässt und sich daher besser zur Herstellung von Eisenkernen für Elektromagnete eignet.

In Stahlwerkzeugen können sich Dauermagnetisierungen auch durch plastische mechanische Verformung bilden. Das ist ein Hinweis auf deren mechanische Überlastung.

Ferrite

Magnete aus Ferriten sind kostengünstig, aber relativ schwach. Typische Anwendung sind Haftmagnete und Feldmagnete von Gleichstrommotoren und elektrodynamischen Lautsprechern.

Bismanol

Bismut, Mangan und Eisen bilden ein starkes, aber nicht mehr gängiges^[1] Permanentmagnetmaterial.

Aluminium-Nickel-Cobalt

AlNiCo-Magnete bestehen aus Eisenlegierungen mit Aluminium, Nickel und Cobalt als Hauptlegierungselemente. Diese Materialien sind bis 500 °C einsetzbar, haben aber eine relativ geringe Energiedichte und Koerzitivfeldstärke. Die Remanenz ist höher als bei den Ferritmagneten. Die Herstellung erfolgt durch Gießen oder pulvermetallurgische Verfahren. Sie haben eine gute Korrosionsbeständigkeit, sind aber zerbrechlich und hart.

Samarium-Cobalt

Samarium-Cobalt (SmCo) ermöglicht starke Dauermagnete mit hoher Energiedichte und hoher Einsatztemperatur. Nachteilig ist der hohe Preis.

Neodym-Eisen-Bor

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ermöglicht sehr starke Magnete zu verhältnismäßig günstigen Kosten. Die Herstellung erfolgt über pulvermetallurgische Verfahren, heute aber vermehrt als kunststoffgebundene Magnete. Lange Zeit waren die Einsatztemperaturen auf maximal 60–120 °C begrenzt. Bei einigen neueren Entwicklungen werden Einsatztemperaturen bis 200 °C angegeben.

Herstellung

Permanentmagnete werden aus kristallinem Pulver hergestellt. Das Magnetpulver wird in Gegenwart eines starken Magnetfelds in eine Form gepresst. Dabei richten sich die Kristalle mit ihrer bevorzugten Magnetisierungsachse in Richtung des Magnetfelds aus. Die Presslinge werden anschließend gesintert. Bei der oberhalb von 1000 °C liegenden Sintertemperatur geht die nach außen hin wirksame Magnetisierung verloren, weil die thermische Bewegung der Atome zur weitestgehend antiparallelen Ausrichtung der Elementarmagnete in den Kristallen führt. Da die Orientierung der Körner im Sinterverbund nicht verloren geht, kann die Parallelausrichtung der Elementarströme nach dem Abkühlen der Magnete durch einen ausreichend starken Magnetisierungsimpuls wiederhergestellt werden.^[2]

Anwendungen

• Mechanik
  • 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), Läufer elektronisch kommutierter Motoren
  • Läufer kleinerer Generatoren, z. B. Fahrraddynamo
  • Permanentmagnetgenerator, z. B. in manchen modernen Windkraftanlagen^[3]
  • 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
• Elektronik
  • Feldmagnete für Zirkulatoren in der Höchstfrequenztechnik
  • Korrekturmagnete an Bildröhren
  • Feldmagnete von Magnetrons, z. B. 2 Magnetringe im Mikrowellenherd
• Schmuck
  • Magnetschließe

Fachliteratur

• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4.
• Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München/Wien 1982, ISBN 3-446-13553-7.
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag-Europa-Lehrmittel, 1989, ISBN 3-8085-3018-9.

Siehe auch

• Deviation (Navigation)

Weblinks

Commons: Magnete – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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Einzelnachweise