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Magnete - die geheimnisvolle Kraft?
 
     
 
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Inhalt:
Allgemeines
Augenfällige Wirkungen von Magneten
Grundlagen des Magnetismus'
Permanentmagnete
Grundlagen von Permanentmagneten / Dauermagneten
Ferromagnetismus
Materialien für Permanentmagnete / Dauermagnete
Stromerzeugung mit Magneten
  Weitere Themen:
Energiegewinnung mit Magneten
Magnetische Wasserenthärtung
Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs


Allgemeines

Magnete stellen für viele Leute etwas Mysteriöses dar. Schließlich kann der Mensch Magnetismus weder sehen, hören, riechen, schmecken noch direkt fühlen. Zudem ziehen Magnete ferromagnetische Gegenstände oder andere Magnete wie von Geisterhand an. Glauben Sie etwa, daß es sich um ein unerklärbares Phänomen handelt? Dem ist mitnichten so! Magnetismus ist etwas, was die Wissenschaft schon seit sehr langer Zeit kennt und versteht. Nur leider ist nicht naturwissenschaftlich geprägten Menschen das Wissen darüber nicht sehr leicht zu vermitteln, weil man Magnetismus halt weder mit Händen fassen kann noch sich mittels einfacher Versuchsaufbauten zu Hause begreifbar machen kann. Nachfolgend finden Sie den Versuch einer einfach gehaltenen Erklärung des Magnetismus anhand von Bildern statt durch Formeln.

Für die zugunsten der Einfachheit etwas ungenaue Beschreibung bitte ich um Nachsicht. Wer es genauer wissen möchte, findet geeignete Literatur in der Regel bei den Physikbüchern für Oberstufe oder Universtität. Meiner Meinung nach sind übrigens für Studenten gedachte Bücher oft besser als Schulbücher zu verstehen, weil sie oft für das Selbststudium vorgesehen sind.


Augenfällige Wirkungen von Magneten

Es dürfte wohl jedem bekannt sein, daß ein Stabmagnet zwei, in Anlehnung an die Erde normalerweise als Süd- und Nordpol bezeichnete Enden besitzt, auch Pole genannt. Hat man zwei Magnete, so ziehen sich Nord- und Südpol an, während sich gleiche Pole abstoßen, ohne daß man hierzu Energie zuführen muß. Auf dieser Basis funktionieren auch Kompaßnadeln: Es handelt sich um kleine, sehr leichte, beweglich gelagerte Magnete, die sich üblicherweise im Magnetfeld der Erde ausrichten und aufgrund ihrer Ausrichtung eine Information über das umgebende Magnetfeld liefern.
Wirkung von Magneten aufeinander
Bild 1: Wirkung von Magneten aufeinander

Indem man z.B. auf einen mit vielen Kompaßnadeln versehenen Karton einen Stabmagneten legt, kann man die Auswirkungen des starken Magnetfelds eines Magneten auf die Umgebung d.h. die schwachen Magnetfelder der Kompaßnadeln studieren. Mit einer Reihe von Kompaßnadeln kann man also Magnetfelder "sichtbar" machen. In Bild 2 ist dies anhand einer Graphik verdeutlicht.

Das Magnetfeld eines Stabmagneten
Bild 2: Das Magnetfeld eines Stabmagneten

Die Kompaßnadeln richten sich hierbei an den magnetischen Feldlinien aus, von denen in roter Farbe vier Stück exemplarisch eingezeichnet sind. Es handelt sich hierbei nur um gedachte Linien, denn sehen kann man sie selbstverständlich nicht.


Grundlagen des Magnetismus'

Schon im Jahr 1820 stellte der Physiker Oersted fest, daß eine Kompaßnadel von stromdurchflossenen Leitern beeinflußt wird. Magnetismus kann also durch Stromfluß erzeugt werden. Wenn man den oben beschriebenen Versuch mit einem stromdurchflossenen Leiter wiederholt, der durch den mit Kompaßnadeln versehenen Karton geführt wird, stellt man fest, daß um den Leiter ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt wird (Bild 3, linke Seite).
Das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter
Bild 3: Das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter


Auf der linken Seite von Bild 3 sind nur diejenigen Feldlinien dargestellt, die sich in einer Ebene rechtwinklig zum stromdurchflossenen Leiter befinden, da die Kompaßnadeln ja nur in einer Ebene angeordnet sind. Man kann aber den gesamten Karton mit den Kompaßnadeln auf dem Leiter hin- und herschieben und erhält immer das gleiche Bild. Somit gilt der dargestellte Sachverhalt für jede Stelle des Leiters, so daß sich bei einem ringförmigen Leiter das auf der rechten Seite von Bild 3 dargestellte magnetische Feld ergibt, wobei Sie die rot gezeichneten Feldlinien auf dem linken Bild denjenigen auf der rechten Seite entsprechen. Selbstverständlich haben die eingezeichneten Feldlinien nur exemplarischen Charakter, denn es gibt unendlich viele davon. Alle Feldlinien zusammen ergeben das magnetische Feld.

Die wichtige Erkenntnis ist: Magnetfelder werden durch elektrischen Strom, d.h. sich bewegende Elektronen hervorgerufen.


Permanentmagnete / Dauermagnete

Grundlagen von Permanentmagneten / Dauermagneten

Oben wurde dargestellt, wie man mit elektrischem Strom Magnetfelder erzeugen kann. Wie aber funktionieren Permanentmagnete? Ein auch als Dauermagnet bezeichneter Permananentmagnet erzeugt nämlich Magnetfelder, ohne daß man einen Stromfluß erkennen könnte. Trotzdem arbeitet auch ein Permanentmagnet mit Strom; allerdings muß dieser nicht von außen zugeführt werden. Ein Permanentmagnet besteht aus vielen sehr kleinen Elementarmagneten, die durch eine Ansammlung von Atomen gebildet werden. Bei jedem Atom umkreist mindestens ein Elektron den Atomkern. In Bild 4 ist dies anhand eines Wasserstoffatoms, welches nur ein einziges Elektron besitzt und damit das am einfachsten gebaute Atom darstellt, dargestellt.

Das Magnetfeld eines Wasserstoffatoms
Bild 4: Das Magnetfeld eines Wasserstoffatoms


Dieses eine Elektron wirkt genauso wie weiter oben beschrieben ein elektrischer Strom durch z.B. einen Kupferdraht und erzeugt durch seine Bewegung ein magnetisches Feld. Denn der elektrische Strom ist nichts anderes als sich in eine Richtung bewegende Elektronen. Sind sie überrascht, daß Wasserstoffatome magnetisch sind? Nun, das Gas Wasserstoff ist in seiner Gänze nicht magnetisch, auch wenn die einzelnen Atome Magnetfelder erzeugen und sich damit die Atome in einem äußeren Magnetfeld ausrichten lassen. Der Grund liegt darin, daß Wasserstoffatome sich völlig ungeordnet bewegen und sich daher in Summe die Magnetfelder der einzelnen Atome kompensieren. Denn statistisch gesehen sind genausoviele Magnete in die eine Richtung ausgerichtet wie in die entgegengesetzte. Es handelt sich daher, wie auch die Erfahrung betätigt, bei Wasserstoff nicht um einen Permanentmagneten.


Ferromagnetismus

Bei bestimmten Materialien (wie z.B. Eisen mit geringen Verunreinigungen) bilden sich jedoch kleine Bereiche, in denen die Magnetfelder der Atome in die gleiche Richtung orientiert sind. Man nennt sie Weißsche Bezirke oder Elementarmagnete. Man kann sie sich als winzig kleine magnetische Körnchen vorstellen, die in der Praxis selbstverständlich nicht so schön regelmäßig geformt sind wie in Bild 5. Da diese Weißschen Bezirke nach dem Erkalten der Schmelze zuerst einmal völlig wahllos orientiert sind, heben sich wie bei den Wasserstoffatomen die Magnetfelder der einzelnen Elementarmagnete nach außen hin komplett auf. Legt man aber ein ausreichend großes magnetisches Feld von außen an, so richten sich einige Elementarmagnete entsprechend aus und verbleiben in dieser Stellung auch dann, wenn das äußere Feld verschwindet. Sie können sich das so vorstellen, daß zum Ausrichten der Elementarmagnete eine unterschiedlich hohe Kraft erforderlich ist, die davon abhängt, wie die Elementarmagnete schon im jungfräulichen Zustand ausgerichtet sind und wie sie mit den Nachbarkörnchen "verhakt" sind. Je stärker das äußere Feld ist, desto mehr Weißsche Bezirke richten sich entsprechend aus, bis bei einer bestimmten Feldstärke alle Elementarmagnete ausgerichtet sind. Wenn sich die Weißchen Bezirke nach dem Abschalten des externen Magnetfelds nicht alle wieder in ihre Ursprungsposition zurückdrehen (was materialabhängig ist), hat man einen Permanentmagneten hergestellt.

Weißsche Bezirke
Bild 5: Weißsche Bezirke


Materialien Permanentmagnete / Dauermagnete

Nur wenige Stoffe sind ferromagnetisch d.h. besitzen Weißsche Bezirke; es handelt sich um eine besondere materialspezifische Eigenschaft. Die Bedingungen, die zum Entstehen von Weißschen Bezirken führen, sind zu komplex, um an dieser Stelle erläutert zu werden. Viele Atome anderer Stoffe kann man zwar auch in einem externen Magnetfeld ausrichten (wie auch den o.g. Wasserstoff), aber bei ihnen geraten die Atome z.B. infolge thermischer Effekte nach dem Abschalten des externen Magnetfelds sehr leicht und sehr schnell wieder in Unordnung.

Das bekannteste ferromagnetische Material ist Eisen. Als Permanentmagnetmaterial ist reines Eisen jedoch sehr schlecht geeignet, weil sich die Weißschen Bezirke sehr leicht wieder "zurückdrehen". Mit Kohlenstoff legiertes Eisen (also Stahl) verhält sich diesbezüglich schon besser. Aber die sogenannte Koerzitivfeldstärke, die salopp gesagt angibt, wie stark sich der Magnet einer Entmagnetisierung durch äußere Magnetfelder widersetzt, ist relativ gering. Andere Materialien wie z.B. die bekannte, aus Aluminium, Nickel und Kobalt bestehende Legierung AlNiCo verhalten sich diesbezüglich viel besser, haben aber trotzdem den Nachteil, immer noch relativ leicht entmagnetisierbar zu sein. Ferritmagnete (d.h. ein gesintertes und danach magnetisiertes Gemisch aus Barium- oder Strontiummoxid mit Eisenoxid) sind in diesem Punkt ein gutes Stück besser und besitzen im Vergleich zu AlNiCo eine ungefähr um den Faktor 3 bis 5 höhere Koerzitivfeldstärke. Sie haben zudem den Vorteil, daß sie eine deutlich geringere elektrische Leitfähigkeit als AlNiCo-Magnete besitzen, wodurch bei Wechselstromanwendungen weniger unerwünschte Wirbelströme induziert werden. Dies verringert die elektrischen Verluste (z.B. bei Motoren) bzw. erhöht die Güte eines magnetischen Kreises (z.B. bei Gitarrentonabnehmern).

Bei der Suche nach Materialien für immer stärkere Permanentmagnete stellte sich heraus, daß sich einige Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden besonders günstig verhalten. Hinter dem ziemlich unglücklich gewählten Namen "Seltene Erden" verbergen sich eine ganze Reihe von Metallen, also keineswegs um Erden (wer denkt bei diesem Wort nicht gleich an Lehm?). Die bekanntesten sind nachfolgend unter Angabe ihrer üblichen Verwendung aufgelistet:
  • Scandium (Zusatzstoff für Quecksilberdampflampen)
  • Yttrium (Leuchtstoffe für Leuchtstoffröhren und Fernseher/Monitore, Lambda-Sonden und Zündkerzen im Auto, LASER-Technik, Permanentmagnete)
  • Lanthan (Zündsteine für Feuerzeuge, Zusatz für optische Gläser hoher Güte)
  • Cer (Zündsteine für Feuerzeuge, Glasfarbstoffe, Polierstoffe, Katalysatoren, Brandsalben)
  • Neodym (Permanentmagnete, Glasfarbstoffe, LASER-Technik)
  • Samarium (Permanentmagnete, LASER-Technik)
Seltenerdmetalle kommen übrigens gar nicht so selten in der Erdkruste vor, wie ihre Bezeichnung vermuten läßt. Cer kommt ungefähr so häufig wie Kupfer, das seltenste der Seltenerdmetalle (Thulium) etwa so häufig wie Jod vor. Allerdings ist ihre Gewinnung als reines Metall nicht ganz einfach, weshalb sie teilweise recht teuer sind.

Die aus dem Seltenerdmetall Samarium und aus Kobalt bestehende Legierung SmCo machte in den 80er Jahren Permanentmagnete möglich, von denen man bis dahin nur träumen konnte. Diese Samarium-Kobalt-Magnete besitzen eine ca. 14mal so hohe Koerzitivfeldstärke wie AlNiCo. Leider sind solche Magnete ziemlich teuer. Seit den 90er Jahren sind Permanentmagnete verfügbar, die unter Verwendung von Neodym in Form der Legierung NdFeB (bestehend aus aus Neodym, Eisen und Bor) hergestellt werden und die noch stärker und gleichzeitig ein gutes Stück preiswerter als SmCo-Magnete sind. Die Koerzitivfeldstärke der oft nicht ganz korrekt als Neodymmagnete bezeichneten Magnete ist ca. 17mal so hoch wie bei AlNiCo. Zur Verbesserung der Eigenschaften wird die NdFeB-Legierung zu Pulver gemahlen, gepreßt, gesintert und mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Diese Oberflächenvergütung ist erforderlich, weil die NdFeB-Legierung chemisch leicht reagiert d.h. ohne Schutz korrodiert. Gegenüber Samarium-Kobalt-Magneten ist die maximal zulässige Einsatztemperatur von NdFeB-Magneten etwas geringer, weshalb sie jene nicht in allen Anwendungen verdrängen konnten. Wenn Sie sich für Seltene-Erde-Magnete und speziell für "Neodymmagnete" interessieren, können Sie sich z.B. unter  www.supermagnete.de ein Bild davon machen, wie preiswert solche Magnete heutzutage sind. An dieser Stelle noch ein Sicherheitshinweis: Wenn Sie mit größeren NdFeB-Magneten oder anderen hochkoerzitiven Magneten hantieren, seien Sie bitte sehr vorsichtig und tragen Sie unbedingt Schutzhandschuhe. Die Magnete ziehen sich bei kleinem Abstand nämlich so stark an, daß es zu starken Quetschungen kommen kann, wenn Sie z.B. mit dem Finger zwischen die Pole zweier Magnete geraten. Größere Neodym-Magnete sind absolut kein Kinderspielzeug!


Elektromagnete

Wie schon oben in  Grundlagen des Magnetismus' erklärt, erzeugt jeder Stromfluß ein Magnetfeld. 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 einem kleinen Trick kann man allerdings die Stärke des Magnetfelds verdoppeln: Statt einer einzigen Windung nimmt man einfach zwei. Dabei überlagern sich die magnetischen Feldlinien, so daß sich die Stärke des Elektromagneten verdoppelt. Was mit zwei Windungen funktioniert, funktioniert auch mit noch mehr Windungen. Üblicherweise führt man dabei die Wicklung als Zylinderspule aus wie in Bild 6:
Induktion eines Stromes
Bild 6: Elektromagnet mit Zylinderspule

Da die Zylinderspule durch die nebeneinanderliegenden Windungen eine bestimmte Länge besitzt, überlagern sich die Feldlinien nicht vollständig. Dies hat zur Folge, daß die Feldstärke etwas kleiner ist, als man aufgrund der Windungszahl erwarten würde. Bei einer engen Wicklung (d.h. ohne Abstand zwischen den Windungen) mit im Resultat kurzer Spulenlänge ist die Feldstärke größer als bei einer lockeren Wicklung mit im Resultat großer Spulenlänge. Je größer der Abstand zwischen den Windungen, desto mehr Feldlinien "kürzen den Weg ab", wie dies in Bild 6 exemplarisch anhand einer einzelnen Feldlinie blau dargestellt ist.

Die Stärke des Elektromagneten kann man bedeutend erhöhen, indem man das Innere der Wicklung eines Elektromagneten mit ferromagnetischem Material füllt. Ferromagnetisches Material ist für magnetische Feldlinien ungefähr das, was Kupfer für elektrischen Strom ist. Wenn sie können, fließen magnetische Feldlinien daher durch ferromagnetisches Material statt durch Luft, auch wenn der Weg länger ist. Dadurch werden die Feldlinien entlang der Wicklung sozusagen aufgesammelt, d.h. es gibt deutlich weniger Feldlinien, die "den Weg abkürzen". Dies ist aber nur ein kleiner Teil des Effekts. Der bedeutend größere ergibt sich dadurch, daß die Elementarmagnete durch das von der Wicklung erzeugte Feld kippen und dadurch die Stärke des Magneten drastisch erhöhen.

Der Vorteil von Elektromagneten gegenüber Permanentmagneten ist, daß man sie Ausschalten kann, um z.B. durch magnetische Kraft angezogene Gegenstände wieder loszulassen. Dies funktioniert natürlich nur dann, wenn man zur Verstärkung des Magnetfelds als ferromagnetisches Material sogenanntes weichmagnetisches Material wie z.B. reines Eisen verwendet. Bei diesem kehren die Weißschen Bezirke nach Abschalten des äußeren magnetischen Felds im Gegensatz zu hartmagnetischen Materialien, die man zur Herstellung von Permanentmagneten benutzt, fast vollständig in ihre Ruheposition zurück. Einen geringen Restmagnetismus kann man allerdings nicht vermeiden.


Stromerzeugung mit Magneten

Wie weiter oben beschrieben werden magnetische Felder durch sich bewegende Elektronen hervorgerufen. Da in der Physik die meisten Effekte umkehrbar sind, stellt sich die interessante Frage, ob dies hier auch der Fall ist. Die Antwort sei vorweggenommen und lautet schlicht "ja". Aber das haben Sie sicher in Anbetracht der vorhandenen Elektrizitätswerke schon geahnt.

Induktion eines Stromes
Bild 7: Induktion eines Stromes


Dargestellt sind zwei Stabmagnete, zwischen deren Pole sich ein Magnetfeld befindet, deren Feldlinien parallel zueinander verlaufen (rot dargestellt). Wenn der Abstand zwischen den Magnetpolen sehr gering ist, kann man alle anderen Feldlinien in erster Näherung vernachlässigen, weil sie im Vergleich sehr schwach sind. Aber selbstverständlich sind sie vorhanden.

Bewegt man nun eine Leiterschleife, also ein ganz normales Stück Draht, an die ein Lämpchen angeschlossen ist, von außen in den Spalt zwischen den Magneten, leuchtet das Lämpchen kurz auf. Je schneller man die Leiterschleife in das Magnetfeld bewegt, desto heller leuchtet das Lämpchen. Beim Herausziehen ist dies ebenso der Fall. Mit diesem sehr einfachen Versuchsaufbau hat man nachgewiesen, daß durch Bewegung eines Leiters ins Magnetfeld ein Strom induziert wurde. Auf diese Weise funktioniert prinzipiell der Dynamo Ihres Fahrrads genauso wie die Generatoren der Elektrizitätswerke. Ein Magnet kann übrigens keinen Strom aus dem Nichts erzeugen, wie das Wort Stromerzeugung suggeriert. Vielmehr werden lediglich im Kupferdraht befindliche Elektronen in eine bestimmte Richtung in Bewegung gesetzt, was einem Stromfluß entspricht. Die Stromerzeugung erfolgt auch keineswegs ohne äußere Energiezufuhr, denn die Leiterschleife wird beim Eintauchen in ein Magnetfeld durch dieses abgebremst. Sie müssen also eine Kraft aufwenden, durch die die Elektronen in Bewegung gesetzt werden. Mit Hilfe eines Magneten kann man daher lediglich mechanische Arbeit in Stromfluß umwandeln, aber keine Energie erzeugen. In der Praxis können sie das leicht nachprüfen: Wenn Sie an Ihrem Fahrrad den Dynamo zwar antreiben, aber das Kabel der Lampe abziehen, müssen Sie in der Ebene nicht besonders stark in die Pedale treten, um eine bestimmte Geschwindigkeit aufrechtzuhalten. Mit angeklemmtem Anschluß tritt es sich deutlich schwerer, da hierbei ein Teil Ihrer Muskelkraft in Stromfluß umgewandelt wird. Für die paar Watt an Strom, die man für eine typische Fahrradbeleuchtung aufwenden muß, muß man dabei recht stark in die Pedale treten. Geschenkt wird einem der Strom also keineswegs. Daß man bei angetriebenem Dynamo auch ohne Stromentnahme etwas stärker in die Pedale treten muß als ohne, ist übrigens der unvermeidlichen Reibung geschuldet.

Zusammenfassend läßt sich sagen: Eine Änderung des Magnetfelds induziert in einem Leiter einen Strom, d.h. die im Leiter vorhandenen Elektronen werden in eine Richtung abgelenkt. Ob sich dabei der Leiter ins ortsunveränderliche Magnetfeld bewegt oder das Magnetfeld sich zum ortsunveränderlichen Leiter bewegt, ist egal. Es kommt nur auf die Relativbewegung an.


Das sich ändernde Magnetfeld haben wir im obigen Experiment dadurch "simuliert", daß wir einen Leiter ins Magnetfeld hineinbewegt und wieder herausgezogen haben. Die letzte Frage lautet nun: Trifft dies auch zu, wenn sich überhaupt nichts bewegt, sondern sich nur die Stärke des Magnetfelds ändert? Auch diese Antwort lautet "ja". Bei einem Permanentmagneten kann man die Feldstärke aber nicht ändern, ohne diesen wegzubewegen. Aus diesem Grund muß man auf einen Elektromagneten, d.h. eine stromdurchflossene Leiterschleife zurückgreifen. Zum Beweis bringt man wie in Bild 8 dargestellt zwei Leiterschleifen dicht zusammen und ändert in einer den Strom, z.B. durch Ein- und Ausschalten. Zur genaueren Beobachtung verwenden wir diesmal aber ein Strommeßgerät anstelle eines Lämpchens.
Induktion bei zwei ortsfesten Leiteschleifen
Bild 8: Induktion bei zwei ortsfesten Leiterschleifen


Die blau gezeichnete Schleife nennt man Primärseite, die schwarz gezeichnete Sekundärseite. Im Ruhezustand d.h. im stromlosen Zustand steht der Zeiger des Strommeßgeräts (auf der rechten Seite des Bildes) in Mittelstellung, d.h. zeigt keinen Strom an. Schaltet man nun auf der Primärseite den Strom mit dem Schalter ein, wird man beobachten, daß der Zeiger des Strommeßgeräts auf der Sekundärseite kurz in eine Richtung zuckt und dann wieder in Mittelstellung zurückgeht. Dies bedeutet, daß auf der Sekundärseite kurzzeitig ein Strom erzeugt (man sagt induziert) wurde. Beim Abschalten zuckt der Zeiger kurz in die andere Richtung. Auch in diesem Moment wird ein Strom induziert, der allerdings in die andere Richtung fließt. Die Stromumkehr ist auch beim Versuch weiter oben (Bewegen der Leiterschleife aus dem Magnetfeld heraus) gegeben, nur konnte man dies dort nicht sehen, weil das Lämpchen keine Polung besitzt und unabhängig von der Stromrichtung leuchtet.

Fazit: Bei einer Änderung des Magnetfelds wird in einer Leiterschleife ein Strom induziert. Bei einem konstanten Magnetfeld wird hingegen kein Strom induziert.

Die Gewinnung elektrischen Stroms kann also dadurch erfolgen, daß man periodisch eine Leiterschleife in ein Magnetfeld hinein und wieder heraus bewegt. Dadurch entsteht ein Strom, der z.B. beim Hineinbewegen positiv ist und beim Herausbewegen negativ, d.h. daß die Stromrichtung sich dauernd ändert. Man nennt dies Wechselstrom. Nichts anderes macht im Prinzip ein Generator im Elektrizitätswerk.


   

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Letztes Update dieser Seite: 27.11.2013 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)