Dauermagnet

Ein Dauermagnet (auch Permanentmagnet) ist ein Magnet aus einem Stück eines hartmagnetischen Materials, zum Beispiel Legierungen aus Eisen, Cobalt, Nickel oder bestimmten Ferriten. Er hat und behält ein statisches Magnetfeld, ohne dass man wie bei Elektromagneten einen elektrischen Stromfluss benötigt. Dauermagnete besitzen an ihrer Oberfläche je einen oder mehrere Nord- und Südpol(e).

Erste künstliche Dauermagnetmaterialien wurden um 1750 von John Canton hergestellt.^[1]

Hufeisenmagnet mit Eisenspänen an den Polen

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

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

Ein Dauermagnet kann durch die Einwirkung eines Magnetfeldes auf ein ferrimagnetisches oder ferromagnetisches Material mit einer großflächigen Hysteresekurve (sogenanntes hartmagnetisches Material) erzeugt werden. Frühe Magnetwerkstoffe auf Basis von 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. Durch ein abklingendes magnetisches Wechselfeld, Erwärmung oder Stoßeinwirkung kann ein Dauermagnet 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, hartmagnetischen Materialien sind im Gegensatz zur dargestellten Grafik besonders breit und ähneln einem Rechteck, bei dem die fast senkrechten Kurven die Feldstärkeachse bei großen Feldstärken bei Hc schneiden. Die dargestellte Grafik zeigt eher die Hysteresekurve eines weichmagnetischen Werkstoffes, der sich zum Beispiel bei der Aufnahme der Hysteresekurve in einem Transformator mit einem nur kleinen Luftspalt oder in einem Epsteinrahmen befindet.

Bei weichmagnetischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Blechen oder Ferriten für Transformator-Kerne, ist die Hysteresekurve sehr schmal und schneidet die Feldstärkeachse bei kleinen Feldstärkewerten.

Kenngrößen

Energieprodukt

Das Energieprodukt, auch BH-Produkt genannt, ist die gesamte im Magneten gespeicherte Feldenergie.

Energiedichte

Die Energiedichte ist die auf das Volumen des Magneten bezogene magnetische Energie.

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.

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.

Remanenz B_R

Mit Remanenz bezeichnet man die Flussdichte, die ohne äußeres Feld auftritt. Ihr Wert ist an der Hysteresekurve ablesbar als der Wert von B bei H=0.

Dauermagnetmaterialien

Entwicklung der magnetischen Energiedichte von Dauermagneten

Stahl

Dauermagnete wurden früher aus Stahl erzeugt. Sie sind aber sehr schwach und lassen sich sehr leicht entmagnetisieren. Die bekannteste Form sind Hufeisenmagnete. In Stahlwerkzeugen können sich Dauermagnetisierungen auch durch plastische mechanische Verformung bilden. Das ist ein Hinweis auf deren mechanische Überlastung.

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.

Bismanol

Bismanol, eine Legierung aus Bismut, Mangan und Eisen, bilden als Legierung ein starkes, aber nicht mehr gängiges^[2] Permanentmagnetmaterial.

Ferrite

Magnete aus hartmagnetischen Ferriten sind kostengünstig, aber relativ schwach und haben eine maximale Gebrauchstemperatur von 250 °C. Typische Anwendung sind Haftmagnete und Feldmagnete von Gleichstrommotoren und elektrodynamischen Lautsprechern.

Seltenerdmagnete

Neodym-Eisen-Bor

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ermöglicht sehr starke Magnete zu akzeptablen Kosten. Lange Zeit waren die Einsatztemperaturen auf maximal 60–120 °C begrenzt. Bei neueren Entwicklungen mit Zusätzen wie Dysprosium werden Einsatztemperaturen bis 200 °C angegeben.

Samarium-Cobalt

Samarium-Cobalt (SmCo) mit 20–25 % Eisenanteil ermöglicht starke Dauermagnete mit hoher Energiedichte und hoher Einsatztemperatur. Nachteilig ist der hohe Preis.

Kunststoffmagnete

Eine Sonderform unter den Magnetmaterialen stellen nichtmetallische, organische Kunststoffe mit permanentmagnetischen Eigenschaften dar, wie das Kunststoffmagnetmaterial PANiCNQ, welches bei Raumtemperatur ferrimagnetische Eigenschaften aufweist.^[3]

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.^[4]

Anwendungen

• Elektromechanik
  • Betätigungsmagnete für Reedkontakte, z. B. Speichenmagnet für Fahrradtachosensor
  • Dämpfung (Wirbelstrombremse) z. B. bei Achterbahnen und im Stromzähler
  • Transduktor mit permanentmagnetischer Einstellung (historisch, von Triacsteuerungen abgelöst)
  • Elektromotoren, z. B. selbsterregte Gleichstrommotoren, Läufer kleiner Synchronmotoren
  • Felderzeugung in Drehspulmesswerken
  • Feldmagnete von Lautsprechern und dynamischen Mikrofonen und Kopf- und Ohrhörern, Permanentmagnet-Synchronmotor, Läufer elektronisch kommutierter Motoren
  • Läufer kleinerer Generatoren, z. B. Fahrraddynamo
  • Linear-Schwenkmotor für Lesekopfarm einer Computerfestplatte
  • Permanentmagnetgenerator, z. B. in manchen modernen Windkraftanlagen^[5]

• Elektronik
  • Feldmagnete für Zirkulatoren in der Höchstfrequenztechnik
  • Feldmagnete von Magnetrons, z. B. zwei Magnetringe im Mikrowellenherd
  • Korrekturmagnete an Bildröhren
  • Feldmagnet in spulenartigen Bauteilen, die die dabei entstehende asymmetrische Sättigung eines Ferritkerns ausnutzen (Transduktorwirkung)
  • Technik der Teilchenbeschleuniger: Ablenk- und Fokussierungsmagnete in Ringbeschleunigern sowie in Undulatoren und Wigglern zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung

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

• Schmuck
  • Magnetschließe

Fachliteratur

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

Weblinks

Commons: Magnete – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise