Dauermagnet

Kennst Du die typischen Kühlschrankmagneten, die Du vielleicht auch zu Hause hast? Sie fühlen sich an und sind auch meistens so schwer wie ein vergleichbares Stück Eisen.

Abbildung 1: KühlschrankmagneteQuelle: pexels.com¹

Warum "kleben" sie aber am Kühlschrank, und andere eiserne Gegenstände wie Schrauben nicht? Die Antwort darauf liegt im Magnetismus – beim hier genannten Kühlschrankmagneten im Dauermagnetismus. Bevor wir aber der Frage auf den Grund gehen, warum das funktioniert, schauen wir uns an, was ein Dauermagnet überhaupt ist.

Dauermagnet Erklärung

Was ein Magnet ist, ist Dir vielleicht bekannt. Warum werden Magnete aber speziell Dauermagnete genannt? Eine andere gleichgültige Bezeichnung ist Permanentmagnet. Beide Bezeichnungen beziehen sich dabei auf die wichtigste Eigenschaft dieser Art von Magneten.

Das heißt für den Alltag: einmal ein Dauermagnet, immer ein Dauermagnet. Nur durch extreme Bedingungen, die bei der Herstellung und Entmagnetisierung von Magneten herrschen, können die magnetischen Eigenschaften eines Dauermagneten verändert werden. Mehr dazu findest Du etwas weiter unten bei der Herstellung.

Hängst Du etwa Deinen Magneten an den Kühlschrank, wird er niemals von selbst herunterfallen.

Dauermagneten besitzen neben dieser Grundeigenschaft die gleichen Eigenschaften, wie jeder andere Magnet auch.

Die Eigenschaften der Anziehung und Abstoßung sind der Grund, warum der Magnet an der Kühlschranktür hängen bleibt, oder sich zwei Magneten je nach Ausrichtung anziehen oder abstoßen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft, das Magnetfeld, hingegen kannst Du nicht direkt sehen. Dessen Auswirkungen sind aber genau diese magnetischen Wirkungen.

Magnetfeld Dauermagnet

Es gibt keinen Magneten ohne Magnetfeld, sowie es auch kein Magnetfeld ohne eine magnetische Quelle gibt. Das gilt auch für Dauermagneten.

Um ein Magnetfeld zu visualisieren, benutzt Du Magnetfeldlinien, über die Du mehr in der Erklärung Magnetfeld erfahren kannst. Die folgende Abbildung 2 zeigt Dir zwei typische Permanentmagnete, den Hufeisen- und den Stabmagnet, und deren Magnetfelder.

Die Magnetfeldlinien verlaufen außerhalb des Magneten stets vom Nord- zum Südpol und kreuzen sich niemals. An den Polen ist das Magnetfeld stärker, als weiter entfernt. Das kannst Du anhand der Magnetfeldlinien ablesen, denn je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld.

Wieso können manche eiserne Objekte – wie ein Kühlschrankmagnet – am Kühlschrank haften und andere nicht? Die Antwort darauf liegt im Dauermagnetismus.

Dauermagnetismus

Zuerst Dauermagnet und jetzt Dauermagnetismus? Was ist der Unterschied?

Anders ausgedrückt ist Dauermagnetismus der Grund dafür, dass es Dauermagneten gibt. Als Dauermagnet wird meist der Gegenstand an sich bezeichnet.

Bei der Benutzung eines Dauermagneten hast Du vielleicht schon einmal selbst festgestellt, dass dieser, im Vergleich zu Plastik, recht schwer für seine Größe ist. Das hängt mit den verwendeten Materialien zusammen.

Dauermagnet Material

Dein Magnet bleibt zwar am Kühlschrank oder Heizkörper hängen, jedoch nicht am Holztisch oder einer Steinwand. Anscheinend ist also nicht nur das Material des Dauermagneten an sich wichtig, sondern auch das Material, mit dem er interagiert.

Das Magnetfeld Deines Dauermagneten hat nur auf bestimmte Materialien eine merkbare Auswirkung. Wenn Dein Magnet aus Eisen an der Kühlschranktür aus Eisen hängenbleibt, warum bleiben dann andere Eisengegenstände nicht am Kühlschrank hängen? Das liegt daran, dass das eine Material magnetisierbar und das andere selbst schon magnetisch ist.

Die bekanntesten Beispiele für magnetisierbare Materialien sind paramagnetische und ferromagnetische Stoffe wie Eisen, Kobalt und Nickel. Als Grundeigenschaft besitzen beide Arten von magnetisierbaren Stoffen das Vorhandensein sogenannter Elementarmagnete.

Der Unterschied zwischen para- und ferromagnetischen Stoffen ist, dass ferromagnetische Stoffe sogenannte Weiß'sche Bezirke aufweisen.

Darstellen kannst Du die Elementarmagnete, etwa im ferromagnetischen Material, als kleine Pfeile innerhalb der Weiß'schen Bezirke. Pfeilspitze und Pfeilende sind dabei die magnetischen Pole jedes einzelnen Elementarmagneten.

Die Elementarmagnete sind aber allein nicht stark genug, um weitere anliegende Weiß'sche Bezirke und deren Elementarmagneten direkt zu beeinflussen. Betrachtest Du den gesamten Stoff, heben sich die magnetischen Wirkungen aller Bezirke gegenseitig auf. Das Material als gesamtes stellt somit noch keinen Magneten dar. Dafür muss ein weiterer Schritt durchgeführt werden.

Setzt Du das ferromagnetische Material aus Abbildung 3 nun einem äußeren Magnetfeld aus, richten sich die Elementarmagnete wie in Abbildung 4 danach aus. Das verbaute Material wird magnetisiert.

Während der sogenannten Magnetisierung reagiert der magnetisierbare Stoff also auf ein Magnetfeld.

Alle Pfeilenden der Elementarmagnete in Abbildung 4 zeigen jetzt zu den Pfeilspitzen des Magneten. In anderen Worten, die jeweiligen Pole der Elementarmagnete zeigen jetzt genau zum entgegengesetzten Pol des Magneten. Das Material wird selbst zum Magneten und zieht somit den ursprünglichen Magneten an.

Bei ferromagnetischen Stoffen, wie sie in Abbildungen 3 und 4 gezeigt sind, gibt es dabei eine Besonderheit. Aufgrund der Ausrichtung der Elementarmagnete zusammen mit den Weiß'schen Bezirken ist es für die Elementarmagnete möglich, nach der Magnetisierung auch ohne äußeres Magnetfeld weiterhin gleich gerichtet zu sein. Das bedeutet aber nicht, dass die Ausrichtung durch weitere äußere Magnetfelder nicht verändert werden kann.

Dass ein Gegenstand selbst leicht magnetisch bleibt, nachdem Du ihn von einem Magneten entfernt hast, hast Du vielleicht schon selbst, etwa an einer Schraube, beobachten können.

Für viele andere alltägliche magnetische Erscheinungen sind anstelle von ferromagnetischen Materialien paramagnetische Materialien verantwortlich. So auch bei den meisten Kühlschranktüren.

Am Ende bedeutet das also, dass weder paramagnetische (Kühlschrank) noch ferromagnetische (Schraube) Materialien allein ihre Magnetisierung permanent und auch in äußeren Magnetfeldern konstant behalten. Wie sonst werden dann Dauermagnete hergestellt?

Dauermagnet Herstellung

Das Ziel eines Dauermagneten ist es, permanent und unabhängig von äußeren Einflüssen ein immer gleiches Magnetfeld zu erzeugen. Dafür ist eine gewisse Herstellung notwendig.

Der erste Schritt der Herstellung eines Dauermagneten ist es, das magnetisierbare Material zu pulverisieren. Das Pulver wird dann in die gewünschte Form gepresst. Beim Pressen wird ein äußeres Magnetfeld, das sogenannte Ausrichtungsfeld, angelegt. Das Ausrichtungsfeld sorgt aber noch nicht dafür, dass der Magnet seine Magnetisierung erhält. Stattdessen richtet es die gröberen Strukturen (Partikel des Pulvers) aus.

Der nächste Schritt ist das sogenannte Sintern. Das Material wird auf die sogenannte Sintertemperatur erwärmt. Unter Druck verdichtet es sich, wodurch die Ausrichtung der Partikel nach dem Abkühlen beibehalten wird.

Jetzt werden Feinarbeiten am Magneten durchgeführt. Er wird geschliffen, in die endgültige Form gebracht oder auch in mehrere kleinere Magneten geschnitten. Der Magnet besitzt aber noch immer kein eigenes Magnetfeld nach außen. Deshalb wird er im nächsten Schritt magnetisiert.

Ähnlich wie bei der Kühlschranktür wird der Magnet in ein Magnetfeld eingebracht und die Elementarmagnete richten sich entsprechend aus. Dieses Magnetfeld muss dabei extrem stark sein. Aufgrund des starken Magnetfeldes wird ein "Schalter" in den allerkleinsten Teilchen umgelegt, der die Ausrichtung der Elementarmagnete zueinander "speichert" und eine andere Anordnung nicht mehr ohne Weiteres zulässt.

Die Magnetisierung kann nur durch sehr bestimmte Bedingungen verändert werden.

Dauermagnet entmagnetisieren

Einen Dauermagneten zu entmagnetisieren bedeutet, dass er selbst kein eigenes äußeres Magnetfeld mehr aufbaut.

Um die Magnetisierung eines Permanentmagneten aufzuheben, gibt es verschiedene Methoden.

Ähnlich zur Herstellung kann ein extrem starkes Magnetfeld angelegt werden. Damit der Dauermagnet dadurch seine magnetischen Eigenschaften verliert, muss das angelegte Magnetfeld ein anfangs extrem starkes, allmählich schwächer werdendes Wechselmagnetfeld sein. Einige Teile des Magneten bleiben dabei zwar noch gleich gerichtet, in der Gesamtheit wird dadurch aber die Anordnung aufgehoben.

Eine andere Vorgehensweise zur Entmagnetisierung funktioniert über Wärme. Wird der Dauermagnet erhitzt, kann die Bewegung der Teilchen aufgrund der Wärme so groß werden, dass die Elementarmagnete (wie bei paramagnetischen Stoffen) dadurch wieder durcheinandergebracht werden.

Auch kannst Du Dir den Impuls durch Stöße oder Vibrationen zunutze machen, um die Ordnung der Elementarmagnete aufzuheben und einen Dauermagneten so zu entmagnetisieren.

Auf ähnliche Art und Weise kannst Du sogar die Polung eines Dauermagneten umkehren.

Dauermagnet Pole vertauschen

Möchtest Du die Polung eines Dauermagneten vertauschen, wäre wohl die einfachste Lösung, den Permanentmagneten umzudrehen. Das ist aber nicht immer möglich, etwa wenn die Form sehr speziell ist, was dann?

Für die Umpolung kannst Du zunächst eine Entmagnetisierung durchführen. Der folgende Schritt wäre, den Magneten neu zu magnetisieren.

Anstatt die Umpolung zweischrittig durchzuführen, kann sie auch in einem Schritt getan werden. Dafür wird der letzte Schritt der Herstellung erneut mit einem Magnetfeld durchgeführt, das dann genau entgegengesetzt der vorherigen Polung ist. Durch ein extrem starkes äußeres Magnetfeld werden die Elementarmagnete und somit die magnetischen Pole neu ausgerichtet.

Warum sich aber diese Mühe machen, wenn es auch auf Knopfdruck einstellbare Elektromagneten gibt?

Dauermagnet und Elektromagnet: Vergleich

Ein Elektromagnet kann durch Einstellen der Stromstärke nicht nur in der Polung, sondern auch in der Stärke gezielt verändert und sogar ein- und ausgeschaltet werden.

Elektromagnete besitzen aber auch Nachteile. Nicht zuletzt wird ein dauerhafter Stromfluss zum Betrieb benötigt, was eine dauerhafte Nutzung, anders als beim Dauermagneten, teuer machen kann.

Der größte Vorteil eines Dauermagneten ist, dass das Magnetfeld ohne Energiezufuhr und unter normalen Verhältnissen konstant bleibt. Durch gezielte Herstellung können Permanentmagneten auf Anwendungen angepasst werden. Der Vorteil liegt dabei darin, dass nicht nur die Stärke und Größe, sondern auch die Polung festgelegt wird. Das macht sie perfekt für Verwendungen, die ein ständiges gleichbleibendes Magnetfeld benötigen.

Daraus ergeben sich aber auch gleichzeitig die Nachteile des Dauermagneten. Sobald ein Permanentmagnet hergestellt ist, ist es nur unter großem Aufwand möglich, dessen magnetische Wirkung zu verändern. Es können zwar immense magnetische Wirkungen mit Dauermagneten erreicht werden, für die stärksten Magnetfelder wird jedoch ein Elektromagnet verwendet.

Die größte Frage bei der Auswahl eines Magneten ist somit die der Einstellbarkeit. Muss das Magnetfeld einstellbar sein, dann kann nur ein Elektromagnet verwendet werden. Ist dies nicht der Fall, können die Einmalkosten eines Dauermagneten deutlich geringer ausfallen, als die Kosten behaftete Verwendung eines Elektromagneten.

Die Vor- und Nachteile beider Magneten findest Du in folgenden Tabellen noch einmal für Dich zusammengefasst.

Deine Kühlschrankmagneten sind aber nicht die einzigen Dauermagneten, die Du im Alltag finden kannst.

Dauermagnete im Alltag Beispiele

Neben den typischen Dauermagneten, wie Hufeisen- und Stabmagnet (Abbildung 2 weiter oben), gibt es andere Formen und Anwendungsbereiche für Permanentmagnete.

Eine eher kleine Anwendung sind dabei Schließmechanismen.

Dauermagnete im Alltag Beispiele – Schließmechanismen

Einfache magnetische Schließmechanismen kannst Du zum Beispiel an manchen Schranktüren finden. Die Mechanismen bestehen meist aus zwei, können mitunter aber auch aus drei oder mehr Dauermagneten bestehen. Hier zeigen wir Dir einen Mechanismus mit drei Dauermagneten: ein Magnet (1) an der Schranktür, einer, der die Tür geschlossen hält (2) und einer, der das Schließen leiser macht (3).

Die Dauermagneten 1 und 2 sind so ausgerichtet, dass sie einander anziehen. Das hält die Tür geschlossen, sobald sie sich dem Schrank nähert. Diese beiden Magneten stellen den einfachsten Schließmechanismus dar.

Hier befindet sich der Permanentmagnet 2 beweglich in einer kleinen Röhre, an dessen Ende sich der entgegengesetzt ausgerichtete Dauermagnet 3 befindet. Die Kräfte zwischen den Magneten 2 und 3 wirken dabei so ähnlich wie eine Feder. Wenn die Tür schnell geschlossen wird, wird Magnet 2 durch die Abstoßung von Magnet 3 abgebremst. Dadurch kann ein Knallen beim Schließen der Tür verhindert werden.

Der Vorteil dieses Schließmechanismus ist, dass er, im Gegensatz zu Sensoren und elektrischen Mechanismen, auch beim Stromausfall funktioniert.

Eine weitere Verwendung von Dauermagneten sind Generatoren und Elektromotoren.

Dauermagnete im Alltag Beispiele – Generator und Elektromotor

Der Grundaufbau beider Anwendungen liegt darin, dass sich ein drehbar gelagerter Magnet in einem Magnetfeld eines darum befindlichen Magneten befindet.

Beim Generator wird der drehbare Magnet durch einen äußeren Mechanismus, meist ein Verbrennungsmotor, angetrieben. Hier ist dieser Magnet oft ein Dauermagnet. Durch dessen Drehung wird ständig die Ausrichtung seines Magnetfeldes verändert. Somit ändert sich auch das Magnetfeld um den äußeren Magneten, in diesem Fall eine (Magnet-) Spule. Aufgrund elektromagnetischer Induktion entsteht in der Spule ein Stromfluss, der weiter genutzt wird.

Der Elektromotor dreht das Prinzip um. Durch eine Wechselspannung wird das Magnetfeld der Magnetspule ständig verändert. Der drehbar gelagerte Dauermagnet richtet sich dementsprechend immer wieder in einer Drehbewegung aus, die dann weiter genutzt wird.

Ein weitverbreitetes Gedankenexperiment handelt von einer weiteren Art von Motor mit Dauermagneten.

Dauermagnete im Alltag Beispiele – Dauermagnetmotor

Der sogenannte Dauermagnetmotor ist kein echter Motor. Stattdessen ist er eine Idee für ein Perpetuum-Mobile, also ein Gerät, das ohne Energiezufuhr für immer funktioniert.

Der Grundgedanke ist, die scheinbar unerschöpfliche Energie mehrerer Dauermagneten so geschickt in einem Motor zu verbauen, dass dieser sich ohne Energie von außen selbst dauerhaft antreibt. Das würde in Energie aus dem Nichts resultieren, was dem Energieerhaltungssatz widerspricht.

Dauermagneten sind also ein wichtiger Bestandteil von technischen Anwendungen, energetischen Wunschvorstellungen und finden auch im Alltag häufig Gebrauch.