Ferromagnetismus

Magnetismus in Sorten

Magnetismus begegnet uns im Alltag häufig – vermutlich hatte jede und jeder bereits damit zu tun. Selbst sehr starke Magnete sind heute preiswert erhältlich und finden in vielen Bereichen Anwendung.

Ferromagnetisch, diamagnetisch und paramagnetisch

Mit im Haushalt üblichen Magneten können nur Materlialien angezogen werden, die ferromagnetische Elemente enthalten: Eisen, Cobalt, Nickel

Mit sehr starken Neodym-Magneten werden aber plötzlich noch weitere Formen von magnetischer Wechselwirkung sichtbar – wie beispielsweise hier mit einer Bleistiftmine aus Graphit:

Graphit verhält sich diamagnetisch (wie auch Wasser, Kupfer, Schwefel, Gold,...). Im Gegensatz zu Eisen, Cobalt oder Nickel bewegt sich diese Bleistiftmine von dem Magnet weg. Da der Effekt aber nur sehr schwach ist, braucht man sehr starke Magnete um ihn zu sehen.

Genau umgekehrt verhalten sich paramagnetische Materialien (wie z. B. Aluminium). Aber auch hier ist der Effekt so schwach, dass es besonders starke Magneten und spezielle Versuchsanordnungen braucht, um ihn zu sehen.

In folgendem Experiment kannst du Büroklammern schweben lassen und ausprobieren, ob sich Magnetfelder abschirmen lassen.

Der schwebende Frosch

Das vielleicht berühmteste Experiment zum Diamagnetismus ist die Levitation. Da die meisten Materialien und auch Wasser diamagnetisch sind, können viele unterschiedliche Dinge in Schwebe gehalten werden – einschließlich Lebewesen. In der Abbildung schwebt ein lebendiger Frosch im Einflussbereich eines Magneten, der etwa 3000-mal so stark ist wie ein Kühlschrankmagnet. Für dieses Experiment hat Andre Geim im Jahr 2000 den Ig Nobelpreis für Physik erhalten. (Dem Frosch ist dabei nichts passiert, doch vermutlich war er überrascht, plötzlich in der Luft zu schwimmen.)

Neben Ferromagnetismus, Diamagnetismus und Paramagnetismus gibt es noch weitere Formen von Magnetismus. Im Folgenden werden wir uns aber nur mit dem bekanntesten Phänomen näher beschäftigen: dem Ferromagnetismus.

Anziehung und Abstoßung

Jeder und jede, die schon mal mit Magneten gespielt hat, hat auch die Abstoßung zweier gleicher Pole und die Anziehung zweier unterschiedlicher Pole gespürt.

Die Stärke der Abstoßung oder der Anziehung hängt von der Art und Größe des Magneten und vom Abstand zum Magneten ab. Sie reicht prinzipiell unendlich weit, da sie aber mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, wird sie sehr schnell sehr schwach. Je weiter der Magnet entfernt ist, desto schwächer ist seine spürbare Wirkung.

Magnetische Pole

Die Pole des Magneten heißen Nord- und Südpol, weil schon früh beobachtet wurde, dass eine frei drehbare Magnetnadel sich immer nur mit einem Ende zum geographischen Nordpol der Erde ausrichtet. Daher nannte man dieses Ende den Nordpol der Nadel. Eine solche frei drehende Magnetnadel wird auch im Kompass verwendet.

Magnetfeld

Das Magnetfeld der Erde ist für uns unsichtbar – ebenso wenig wie das Feld eines Stabmagneten, also der Bereich, in dem die magnetische Kraft wirkt. Mit einem einfachen Trick lässt sich das Feld jedoch sichtbar machen: Feine Eisenspäne richten sich im Magnetfeld aus und bilden dabei ein Muster aus Linien und Kreisen.

Diese Linien bilden immer geschlossene Kreise. Wo die Linien eng beisammen sind, ist die Stärke des Magneten besonders gut spürbar. Natürlich gibt es diese Linien nicht wirklich, sie sind nur eine Hilfe, damit wir uns das Magnetfeld besser vorstellen können.

In dieser Modellvorstellung denken wir uns auch Pfeile zu den Kreisen. Die Richtung der Pfeile zeigt:

• innerhalb des Magneten vom Süd- zum Nordpol und
• außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol.

Hier sieht man zwei Magnet-Bruchstücke unter einem Blatt Papier mit Eisenspänen:

Die unterschiedliche Anordnung der Magnete führt mal zu Abstoßung mal zu Anziehung. Ziehe die passenden Magnetfeldlinien zu den jeweiligen Magnetanordnungen!

Wie wird aus Eisen ein Magnet?

Die Messerklingen auf der Magnetleiste in der Küche werden oft selbst zu Magneten und auch eine Stecknadel kann, wenn sie einige Sunden an einem starken Magnet verbringt, plötzlich selbst zum Magneten werden. Mit Kupferdraht oder Alufolie funktioniert das jedoch nicht – selbst wenn sie jahrelang neben einem starken Magneten liegen würden.

Um zu verstehen, was bei der Magnetisierung passiert, betrachten wir einen klassischen Ferromagneten – zum Beispiel einen Stabmagneten:

Woran kann man erkennen, wo hier der Nordpol oder der Südpol des Magneten ist?

Die Farben könnten ja auch falsch sein bzw. sind sie auch nicht einheitlich und manchmal auch gar nicht vorhanden.

Am einfachsten geht das mit einem Kompass. Er zeigt uns, welcher Pol der Nordpol ist (der Südpol der Nadel zeigt zum Nordpol). Da die Magnetfeldlinien im Inneren des Stabmagneten in die andere Richtung zeigen, nimmt auch der Kompass direkt am Magnet diese Orientierung an.

In der nächsten Abbildung zeigen viele kleine Magnete die Magnetisierung an. Diese Vorstellung nennt man Eisen-Magnet-Modell.

Die Magnetisierungen werden einzelnen Bereichen zugeordnet. Diese Bereiche heißen magnetische Domänen.

Beim Magnetisieren von Ferromagneten in einem Magnetfeld richten sie die Magnetisierungen der magnetischen Domänen am äußeren Magnetfeld aus. Dabei ändern die Domänen die Richtung ihrer Magnetisierung. In Summe entsteht eine Magnetisierung, die ungefähr parallel zum äußeren Magnetfeld verläuft und auch nach dem Entfernen des Magnetfeldes noch zum Teil erhalten bleibt.

Erstelle dein eigenes Eisen-Magnet-Modell:

Kommen wir zurück zu unseren zerbrochenen Magneten. Beim Betrachten der Abbildung sieht man sofort, warum aus einem großen Magneten zwei kleine entstehen und auch warum die Pole nicht teilbar sind.

Sobald ein Magnet zerteilt wird, ergibt sich aus den magnetischen Domänen in jedem Teilstück wieder ein Nord- und ein Südpol.

Ferromagnete können ihre Magnetisierung auch wieder verlieren, beispielsweise durch starke Erschütterungen wie Hammerschläge.

Wie werden Dauermagnete hergestellt?

Dauermagnete = Permanentmagnete können aus verschiedenen Materialen hergestellt werden. Häufig sind:

• Stahl: veraltet, sehr schwach und leicht entmagnetisierbar (Hufeisenmagnet)
• Aluminium-Nickel-Cobalt (AlNiCo): Eisenlegierungen mit Aluminium, Nickel und Cobalt; bis 500 °C einsetzbar, aber zerbrechlich und nicht sehr stark
• Ferrite: kostengünstig, aber relativ schwach (der typische Kühlschrankmagnet)
• Seltenerdmagnete: unterschiedliche Legierungen aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ermöglichen sehr starke und günstige Magnete
• Samarium-Cobalt (SmCo): starke Magnete mit hoher Einsatztemperatur, aber teuer

Dauermagnete werden heute meist aus kristallinem Pulver hergestellt. Das Pulver wird in einem starken Magnetfeld in Form gepresst, sodass sich die Kristalle ausrichten können. Beim Sintern der Presslinge – ähnlich wie das Brennen von Keramik – geht die Magnetisierung zwar durch die Hitze verloren, doch die Orientierung der Kristallkörner bleibt erhalten. Nach dem Abkühlen kann die Magnetisierung daher durch ein Magnetfeld leicht wiederhergestellt werden.