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Geheimnisvolle Kraft

Magnete waren bereits im 6. Jahrhundert v. Chr. bekannt. Der Name Magnet hat seinen Ursprung im Griechischen und bedeutet „Stein aus Magnesia“, einem Fundort von Magnetsteinen in Thessalien. Der Magnetismus war für die Menschen lange Zeit ein Mysterium, denn die geheimnisvolle Kraft, die Eisen wie von Geisterhand bewegen kann, entzog sich jeder rationalen Erklärung. Man kann sie weder riechen, schmecken oder sehen. Dem Magneten wurden magische und heilende Kräfte zugeschrieben. Ein Magnet sollte Kopf- und Zahnschmerzen ebenso vertreiben wie „böse Geister“. Aristoteles hielt die Eigenschaft der Magnete, die Eisen anziehen und abstoßen konnte, sogar für eine Kraft der Seele. Bis die zugrunde liegenden physikalischen Kräfte des Magnetismus wissenschaftlich erforscht wurden, vergingen noch Jahrhunderte.

Physikalisches Phänomen

Magnetismus ist ein erstaunliches physikalisches Phänomen. Die magnetische Kraft wirkt sich auf Magnete und magnetisierbaren Objekten und elektrischen Ladungen aus. Die Übertragung dieser Kraft erfolgt über ein Magnetfeld, das sowohl von den Gegenständen erzeugt wird als auch auf sie einwirkt. Damit die Wirkungsweise des Magneten veranschaulicht werden kann, hat die Wissenschaft den Begriff des Magnetfeldes eingeführt. Die Feldlinien visualisieren die Richtung des magnetischen Flusses. Wahrscheinlich wird sich jeder an Experimente im Physikunterricht erinnern, bei dem sich Eisenpfeilhähne entlang der magnetischen Feldlinien ausgerichtet hat. Je stärker das magnetische Feld, desto stärker sind die Ausprägungen der Linien und auch die Haftkraft des Magneten.

Wegweisend

Die Eigenschaft des Magneten, sich nach den magnetischen Polen der Erde auszurichten, macht sich der Mensch beim Kompass zunutze, denn die Kompassnadel richtet sich grundsätzlich nach dem Magnetfeld der Erde aus und ist daher ein zuverlässiger Wegweiser. Ob Seefahrer, Entdeckungsreisende oder Wanderer beim Sonntagsausflug – ohne den Magneten wären viele Menschen vom richtigen Pfad abgekommen und hätten sich verirrt. Der Zusammenhang zwischen der Ausrichtung der Magnetnadeln und dem erdmagnetischen Feld blieb lange ein Geheimnis und wurde erst ab dem 17. Jahrhundert von dem Physiker William Gilbert erstmals erforscht. Der Forschung ist es heute gelungen, künstliche Magnete aus Metalllegierungen herzustellen. Diese können nicht nur die magnetischen Energien länger speichern, sondern verfügen auch über eine außerordentliche Haftkraft. Diese „Supermagnete“ werden in der Forschung und in der Medizin eingesetzt, beispielsweise als Ablenkmagnete in Teilchenbeschleunigern oder bei der Kernspinresonanz.

Magnete im Alltag

Magnete begleiten uns auch im täglichen Leben. Sie befinden sich in vielen Gegenständen des Alltags wie in Lautsprechern oder in Klapptischen. Magnete sind aber auch nützliche Helfer in Haushalt und Büro. Mit Haftmagneten können Zettel, Bilder und Notizen und alles, was der Mensch leicht vergisst und verlegt, in Augenhöhe befestigt werden. Die Haftmagnete sind oft mit Motiven versehen und sind damit nicht nur nützliche Helferlein, sondern auch hübsche dekorative Elemente. So bietet Käthe Wohlfahrt Haftmagnete im Stil der „Kindertraum-Serie“ wie lustige Marienkäfer, Engel oder Katzengesicht an. Wer eine kleine Erinnerung aus deutschen Landen als Souvenir bevorzugt, kann aus einem Sortiment mit traditionellen Motiven aus Bayern und dem Schwarzwald wählen. Besonders praktisch sind die Tiermagnete, die zum Notizblock-Set gehören. So kann eine Notiz nicht nur notiert, sondern auch gleich dort angebracht werden, wo sie für jeden gut sichtbar ist und nicht verloren gehen kann.

Als Isaac Newton nach seiner berühmten Beobachtung des fallenden Apfels 1687 in seinem Werk "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" eine Abhandlung über das Gravitationsgesetz schrieb, wusste er noch nicht, dass er damit auf eine universelle Gesetzmäßigkeit gestoßen ist, die sich auch noch genauso in anderen Zweigen der klassischen Physik darstellen lassen sollte, so zum Beispiel bei der Anziehung beziehungsweise Abstoßung von elektrischen Ladungen oder magnetischen Polen.

Das Gravitationsgesetz von Newton besagt, dass sich zwischen zwei Massen immer eine Anziehungskraft einstellt, die proportional zu den beiden Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes beider Massen ist. Würde es magnetische Monopole geben, dann würde das Gesetz für die Anziehung zweier magnetischer Pole ganz genau so aussehen: Die magnetische Anziehungskraft zwischen einem magnetischen Nordpol und einem (anderen) magnetischen Südpol wäre proportional zu beiden Polstärken und umgekehrt proportional zum Abstand beider magnetischen Pole. Nun sind bis heute noch keine magnetischen Monopole nachgewiesen worden. Aber was nicht ist, kann ja noch werden, vielleicht am Schwarzschildradius in der Nähe eines Schwarzen Lochs?

So, wie wir heute auf der Erde den Magnetismus kennen, besteht ein Magnet immer aus einem gleich starken Nord- und Südpol, ganz egal welche Form wir dem Magneten geben. Das Ausgangsmaterial ist Magnetit, ein hochgradig magnetisiertes (oxidiertes) Eisenerz (chemisch zum Beispiel Fe3O4).

Entstehung magnetischer Minerale

Nach dem Ausfließen einer (vulkanischen) magmatischen Schmelze wird bei der Abkühlung langsam die sogenannte Curie-Temperatur von 578 °C unterschritten. Das ist der Moment, wenn alle gerade noch frei beweglichen Minerale im aktuell herrschenden Magnetfeld ausgerichtet werden und auf diese Weise ihre "remanente Magnetisierung" parallel "eingefroren" wird. Auf diese Erkenntnis gründet sich das gesamte geowissenschaftliche Gebiet der Paläomagnetik, mit deren Hilfe die Theorie der Kontinentaldrift von Alfred Wegener nachgewiesen werden konnte.

Modellvorstellung über den Magnetismus

Bei vielen Anwendungsbereichen brauchen wir heute starke Magnete. Vielen fällt dabei vermutlich beispielsweise die unbändige Kraft jenes Magnetkrans auf dem Schrottplatz ein, der manchmal mehrere Autowracks gleichzeitig anhebt, um sie hinüber in die Presse zu schwenken. Das kann aber nicht mit einem sogenannten "Permanentmagneten" erreicht werden, dafür werden immer Elektromagnete eingesetzt, die eben einfach über der Presse abgeschaltet werden, damit die Eisenteile herunterfallen.

Aber wie ist dann überhaupt ein starker Permanentmagnet aufgebaut?

Magnetismus ergibt sich aus mikroskopisch kleinen magnetisierten Domänen innerhalb der Kristalle eines ferromagnetischen Stoffes. Diese wurden benannt nach ihrem Entdecker, dem französischen Physiker Pierre-Ernest Weiss, und heißen deshalb Weiss-Bezirke (oder auch weiss‘sche Bezirke).

Schon 1907 erkannte Weiss die atomaren magnetischen Momente, die jedes wie ein winziger Elementarmagnet wirkte. Bei den sogenannten Ferromagnetika wie zum Beispiel Eisen addieren sich all die kleinen magnetischen Kräfte zu einer gemeinsamen makroskopischen magnetischen Kraftwirkung auf. Zwar würde jeder Elementarmagnet irgendeine beliebige Richtung im Raum einnehmen, sodass sich in der Summe die kleinen Magnetfelder von Milliarden Bezirken gegenseitig kompensieren würden, aber bei der langsamen Abkühlung einer Eisenschmelze im irdischen Magnetfeld richten sich die kleinen magnetischen Dipolmomente gleichartig aus, und so entsteht ein Magnet.

Bei der industriellen Herstellung von stärkeren Dauermagneten wird genau dieses Verhalten ausgenutzt, indem man das ferromagnetische Material innerhalb von sehr starken künstlichen magnetischen Feldern abkühlen lässt, die man, wie beim Beispiel des Schrottplatzes, mit starken Elektromagneten erzeugen kann.

Generell sind nur metallische Werkstoffe derart magnetisierbar, dass eine Anziehungskraft zwischen zwei Kontaktflächen für einen Menschen wahrgenommen werden kann. Daher spricht man in diesem Zusammenhang auch von Ferromagnetismus. Es handelt sich dabei um metallische Werkstoffe auf Eisen-, Nickel- oder Cobalt-Basis.

Einteilung des Ferromagnetismus nach seinem zeitabhängigen Verhalten

Grob unterschieden wird zwischen den Werkstoffeigenschaften magnetisch weich und magnetisch hart.

Magnetisch weiche Werkstoffe

Magnetisch weiche Werkstoffe wie Eisen und diverse Eisenlegierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich leicht und mit geringem Zeitaufwand auf-, um- und entmagnetisieren lassen. Sie kommen somit überall dort zum Einsatz, wo eine schnelle Änderung der magnetischen Feldstärke verlangt wird wie auch eine rasche Richtungsumkehr, also ein Vertauschen von Nord- und Südpol. So kommen sie zum Beispiel im Elektromotorenbau zur Anwendung. Auch Eisenkerne in Spulen und Elektromagneten sind weichmagnetisch.

Magnetisch weiche Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen sind beispielsweise Eisen-Mangan-Zink-Legierungen und Eisen-Nickel-Zink-Legierungen.

Magnetisch harte Werkstoffe

Magnetisch harte Materialien wie Magnetstahl oder Platin-Cobalt-Legierungen haben die Eigenschaft, dass sie ihren momentanen Magnetisierungszustand, das heißt die Stärke und die Richtung des Magnetfeldes, dauerhaft unverändert beibehalten. Somit sind sogenannte Dauermagneten grundsätzlich aus hartmagnetischen Metallen bzw. Metall-Legierungen. Die "Aufladung" solcher Magnete ist jedoch mit einem höheren Energiepotential und Zeitaufwand verbunden als die der magnetisch weichen Werkstoffe.
Zum Einsatz kommen zum Beispiel:

  • Eisen-Strontium-Legierungen
  • Eisen-Barium-Legierungen
  • Eisen-Cobalt-Legierungen oder
  • Platin-Cobalt-Legierungen.

Paramagnetische Werkstoffe

Während ferromagnetische Stoffe eine bestimmte "innere Ordnung" besitzen, insofern als dass sich die magnetischen Momente ihrer Atome parallel zueinander ausrichten und sie dadurch selbst ein Magnetfeld mit Nord- und Südpol erzeugen können oder aber auf den Pol eines äußeren Magnetfeldes mit relativ starker Anziehungskraft reagieren, haben paramagnetische Materialien keine magnetische Ordnung in ihrem Inneren. Sie reagieren nur sehr schwach auf ein äußeres magnetisches Feld.

Kommt ein Dauermagnet mit einer Oberfläche in Kontakt, die aus einem paramagnetischen Stoff besteht, so ist ein magnetisches Verhalten (Anziehungskraft) für den Anwender nicht spürbar.

Die Liste der paramagnetischen Werkstoffe beschränkt sich nicht wie beim Ferromagnetismus auf ausschließlich metallische Elemente und Verbindungen, sondern auch nichtmetallische Stoffe. So verfügt selbst Luft über diese spezielle Form des Magnetismus. Weitere Elemente sind mitunter:

  • Platin
  • Aluminium
  • Natrium
  • Magnesium
  • Calcium
  • Kalium
  • Beryllium


Das physikalische Phänomen des Magnetismus ist schon seit dem Altertum bekannt. Magnete haben die Eigenschaft, Stoffe wie Nickel, Eisen und Kobalt anzuziehen. Rund um den Magneten ist ein Magnetfeld feststellbar. Die Stärke des Magnetfeldes wird durch seine magnetische Feldstärke (Einheit A/m) und durch die magnetische Flussdichte (Einheit Tesla) bestimmt. Höhere Magnetfelder lassen sich mit Elektromagneten (Spulen) erzeugen, die unter anderem Anwendung bei Elektromotoren, Generatoren und Transformatoren finden.

Es gibt vier Arten von Magneten:

  • Natürliche Magnete wie beispielsweise Magnetitsteine. Diese setzen sich aus abgekühlter, eisenhaltiger Lava und atmosphärischem Stickstoff zusammen (natürlicher Magnetismus der Erde).
  • Elektromagnete, die durch elektromagnetische Induktion entstehen. Sie bestehen aus Spulen, die bei Stromdurchfluss ein magnetisches Feld erzeugen. Eisenkerne in der Spule verstärken diese Wirkung noch.
  • Dauer- oder Permanentmagnete sind industriell aus unterschiedlichen Materialien gefertigte Magnete. Meist werden sie aus Eisenlegierungen hergestellt, denen man Zusätze von Kobalt, Aluminium und Kupfer hinzufügt. Nur Metalle wie Nickel, Kobalt und Eisen werden von Magneten angezogen. Neben diesen Metallen gibt es noch verschiedene Legierungen (Heuslersche Legierungen), die auf Metalle ansprechen. Dauermagnete werden unter anderem in Mikrofonen, Monitoren und Lautsprechern eingesetzt. Die häufigsten Formen von Dauermagneten sind als Magnetnadel, Stab, Hufeisen, Ring, Scheiben, Kugel oder Blockmagnet.
  • Neodym Magnete sind die neuesten, stärksten und teuersten Permanentmagnete, die vor allem für Elektromotoren, Lautsprecher, Windkraftanlagen, aber auch Magnetschmuck, verwandt werden. Sie verlieren über die Jahre kaum etwas von ihrer magnetischen Kraft. Diese Permanentmagnete enthalten exotische Metalle, sogenannte „Seltene Erden“.Das sind chemische Elemente der dritten Nebengruppe des Periodensystems, ohne Actiniums und die Lanthanoide.

Magnettherapie und Gesundheit

Außer dem Einsatz des Magnetismus in Physik, Technik und Industrie, besinnt man sich jetzt auch wieder auf dessen Heilkraft. Schon vor Jahrtausenden legten Medizinmänner und Schamanen, aber auch Ägypter und Griechen, ihren Patienten sogenannte Heilmagnete auf die schmerzenden Stellen. In Europa erlebte der Heilmagnetismus seine Blütezeit vom 16. bis zum 18. Jahrhundert, dessen Wegbereiter der Schweizer Arzt Paracelsus war. Nicht die Magnetkraft selbst heilt, sondern die Selbstheilungskräfte des Körpers werden sanft angeregt. Diese längst vergessenen Heilmethoden macht man sich jetzt wieder zunutze. 1964 wurde Linus Pauling der Nobelpreis in Chemie, für die Entdeckung der magnetischen Eigenschaften des roten Blutfarbstoffs, verliehen. Die therapeutische Nutzung der Magnetkraft gilt heute als eine sinnvolle Ergänzung der modernen Medizin. In Japan ist die größte Anzahl der Magnettherapienutzer. Bei dieser Behandlung werden Therapiemagnete mit einer Stärke von mindestens 500 Gauß (Einheit der magnetischen Flussdichte) verwendet. Da die Magnete der Schmuckstücke meist eine Stärke von 1200 bis 1800 Gauß haben, sind das richtige Powerarmbänder und Ketten.

Was sind Magnete überhaupt?

Die Geschichte der Magnete begann mit Funden eines schwarzen Minerals, das – durch Vulkanismus entstanden – magnetische Eigenschaften hat, also Eisen anzieht. Auf Griechisch wurden diese mineralischen Steine „lithos magnes“ genannt. Die gängigste Namenstheorie besagt, dass sich diese Steine häufig in der griechischen Landschaft Magnesia (oder auch Magnisia) fanden. Der griechische Geschichtsschreiber Plinius schilderte außerdem die Legende eines Hirten namens Magnes, der mit seinen eisenbeschlagenen Schuhen und dem Stock beim Aufstieg auf den Berg Ida an diesem Gestein hängen geblieben sei.

Die Griechen, insbesondere Thales von Milet, führten die magnetische Wirkung des Gesteins darauf zurück, dass dieses offenkundig eine Seele habe und daher andere Materialien anziehen könne. Nur mit dieser „Belebtheit“ konnten sie sich das physikalische Phänomen erklären. Von Thales von Milet stammt auch die erste bekannte Erwähnung der Magnetsteine.

Erste Nutzung als Kompass

Nicht nur die Griechen, sondern auch die Chinesen waren sich der magnetischen Wirkung des Magnetits nicht nur früh bewusst, sondern wussten sich diese auch nutzbar zu machen. Hanfuzius entwickelte bereits im dritten vorchristlichen Jahrhundert den vermutlich ersten Kompass der Welt, den Si Nan. Dieser Name bedeutet „Südzeiger“, da sich der löffelförmige Magnetstein immer nach Süden ausrichtete. Dieses erste Kompass-Modell diente allerdings damals nicht der Navigation, sondern vielmehr der Anwendung des Feng-Shui-Prinzips. Erst ab dem elften Jahrhundert setzten die Chinesen den Kompass auch zur Navigation ein. Sowohl bei den Arabern als auch bei den Skandinaviern belegen Quellen deren Nutzung von Kompassen ab dem dreizehnten Jahrhundert.

Entwicklung in Europa

Erste Erwähnungen magnetischer Kompassnadeln als Instrumente zur Navigation in der Seefahrt finden sich in Europa in den Werken von Alexander Neckam, der um 1190 von schwimmenden Nadeln berichtete, die sich im Wasser immer wieder nach Norden ausrichten.

Einen Trockenkompass erwähnte Pierre de Maricourt im Jahre 1269. Dieser arbeitete mittels frei schwingender Magnetnadeln, die auf einem Stift gelagert waren. Die Erfindung dieses Trockenkompasses wird häufig dem Italiener Flavio Gioia zugeschrieben.

Warum allerdings Magnetnadeln überhaupt immer wieder die Orientierung in Nord-Süd-Richtung suchen, war lange Zeit unbekannt. Teilweise nahm man an, dass der Nordstern und dessen Anziehungskraft verantwortlich seien. Erst im Jahr 1600 erkannte William Gilbert, dass die Erde selbst im Grunde genommen ein großer Magnet ist und ihr eigenes Magnetfeld erzeugt, mit dem magnetischen Nord- und Südpol als den beiden Enden.

Neuere Geschichte der Magnete

1750 gelang John Mitchell die erste künstliche Herstellung eines Magnets ohne Zuhilfenahme von Magnetsteinen. Zwei Wochen nach Entdeckung des Zusammenhangs zwischen Magnetismus und Elektrizität 1819 durch Hans Christian Ørsted zeigte André-Marie Ampère, dass Drähte, durch die Strom fließt, aufeinander einwirken. Michael Faraday entwickelt 1821 den ersten Elektromotor, indem er einen stromdurchflossenen Draht um einen Magneten rotieren lässt.

Der erste Elektromagnet wurde 1826 von William Sturgeon konzipiert. Durch Stromdurchfluss in einer Spule wird der magnetische Effekt extrem verstärkt. 1845 setzte sich der Name „Magnetit“ für die Magneteisensteine durch. Die Magnetresonanztomographie MRT ist eine der neuesten und hilfreichsten Entwicklungen in der Geschichte der Magnete. Dieses bildgebende Verfahren erzeugt ein starkes Magnetfeld, das bestimmte Atome im menschlichen Körper ausrichtet und somit eine vollkommen unschädliche Durchdringung des Körpergewebes erlaubt.

Dauermagnete bestehen aus ferromagnetischen Materialien, in welchen Elementarmagneten durch Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes parallel ausgerichtet wurden. Auch nach Entfernen des äußeren Magnetfeldes bleibt diese Magnetisierung weiterhin erhalten. Dieser Text behandelt die Frage, ob und inwiefern die Magnetisierung von Dauermagneten auch wieder abgeschwächt werden oder gänzlich verloren gehen kann.

Eine Entmagnetisierung von Dauermagneten ist möglich und kann mit Hilfe verschiedener Verfahren erreicht werden. Eine Möglichkeit ist das Anlegen eines langsam abklingenden Wechselmagnetfeldes an den zu entmagnetisierenden Dauermagneten. Die Koerzitivfeldstärke dieses Magnetfeldes muss dabei mindestens diejenige des Dauermagneten erreichen. Bei diesem Verfahren wird die Hysteresekurve des Magneten bei abnehmender Amplitude der magnetischen Feldstärke und Flussdichte durchlaufen. Am Ende des Prozesses ist das Magnetfeld des vorherigen Dauermagneten vollständig verschwunden.

Alternativ führt auch eine Erhitzung eines Dauermagneten über seine Curie-Temperatur zu einer vollständigen Entmagnetisierung. Die Curie-Temperatur ist materialspezifisch und stellt den reversiblen Phasenübergang von ferromagnetischen Substanzen zu ihrer paramagnetischen Form dar. Das bedeutet, nur unterhalb dieser Temperatur tritt entweder eine spontane Magnetisierung von Weiss’schen Bezirken oder eine gerichtete Magnetisierung des gesamten Materials unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auf. Oberhalb besagter Temperatur verschwindet jede spontane oder gerichtete Magnetisierung des Materials. Die Curie-Temperatur von Eisen liegt zum Beispiel bei 768 °C, die von Cobalt bei 1121 °C und die von Nickel bei 360 °C. Dieses Phänomen im Bereich des Magnetismus macht man sich unter anderem in der Datenspeicherung zunutze. Bei magneto-optischen Speichermedien erhitzt ein Laser die magnetische Schicht punktförmig bis zu der jeweiligen Curie-Temperatur, um die dort gespeicherte Information zu löschen, sodass neue Daten dorthin geschrieben werden können. Auch die Daten auf nicht magneto-optischen Festplatten lassen sich durch eine Erhitzung der Festplatte über die Curie-Temperatur vollständig und irreversibel löschen.

Ebenso kann ein Verlust des Magnetisierung eines Dauermagneten durch wiederholte mechanische Erschütterung geschehen, denn auch dadurch kann die kollektive Ausrichtung der Elementarmagneten durcheinander gebracht werden. Deshalb sollte man Dauermagneten, die man noch lange verwenden möchte, möglichst nicht fallenlassen. Idealerweise werden zwei Magnete in Zweierpaaren aufbewahrt, wobei jeweils der Nordpol des einen Magneten neben dem Südpol des anderen Magneten zu liegen kommt.

Im Falle von Elektromagneten kann selbstverständlich keine Abschwächung der Magnetisierung durch Verschleiß stattfinden, da hier der Ursprung des magnetischen Feldes nicht in der Ausrichtung von Elementarmagneten liegt. Stattdessen resultiert hier das magnetische Feld aus der Tatsache, dass jede bewegte Ladung und somit jeder stromdurchflossene Ladungsträger ein magnetisches Feld erzeugt. Es ergibt daher also keinen Sinn, von einer Entmagnetisierung eines Elektromagneten zu sprechen.


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