Wie Magnete funktionieren | Nantong High Altitude Co., Ltd

Sie wissen wahrscheinlich, dass Magnete bestimmte Metalle anziehen und dass sie Nord- und Südpole haben. Gegensätzliche Pole ziehen sich gegenseitig an, während gleiche Pole sich gegenseitig abstoßen. Magnetische und elektrische Felder hängen zusammen, und der Magnetismus ist neben der Schwerkraft und den starken und schwachen Atomkräften eine der vier Grundkräfte im Universum.

Aber keine dieser Fakten beantwortet die grundlegendste Frage: Was genau sorgt dafür, dass ein Magnet an bestimmten Metallen haftet? Oder warum bleiben sie nicht bei anderen Metallen? Warum ziehen sie sich gegenseitig an oder stoßen sie ab, je nach ihrer Positionierung? Und was macht Neodym-Magnete so viel stärker als die Keramikmagnete, mit denen wir als Kinder gespielt haben?

Um die Antworten auf diese Fragen zu verstehen, ist es hilfreich, eine grundlegende Definition eines Magneten zu haben. Magnete sind Objekte, die Magnetfelder erzeugen und Metalle wie Eisen, Nickel und Kobalt anziehen. Die Kraftlinien des Magnetfelds verlassen den Magneten an seinem Nordpol und treten in seinen Südpol ein. Permanent- oder Hartmagnete erzeugen ständig ein eigenes Magnetfeld. Temporäre oder weiche Magnete erzeugen Magnetfelder, während sie sich in einem Magnetfeld befinden und für kurze Zeit nach dem Verlassen des Feldes. Elektromagnete erzeugen nur dann Magnetfelder, wenn Strom durch ihre Drahtspulen fließt.

Da Elektronen und Protonen winzige Magnete sind, haben alle Materialien irgendeine magnetische Eigenschaft. In den meisten Materialien hebt die Art und Weise, wie sich Elektronen in entgegengesetzte Richtungen drehen, jedoch die magnetischen Eigenschaften eines Atoms auf. Metalle werden am häufigsten für die Herstellung von Magneten verwendet. Obwohl einige aus einfachen Metallen bestehen, ergeben Kombinationen von Metallen – sogenannte Legierungen – Magnete unterschiedlicher Stärke. Zum Beispiel:

Viele der heutigen elektronischen Geräte benötigen Magnete, um zu funktionieren. Diese Abhängigkeit von Magneten ist relativ neu, vor allem weil die meisten modernen Geräte Magnete benötigen, die stärker sind als die in der Natur vorkommenden. Lodestone, eine Form von Magnetit, ist der stärkste natürlich vorkommende Magnet. Es kann kleine Gegenstände wie Büroklammern und Heftklammern anziehen.

Im 12. Jahrhundert hatten die Menschen entdeckt, dass man mit Magneten Eisenstücke magnetisieren und so einen Kompass herstellen konnte. Durch wiederholtes Reiben des Magnetsteins entlang einer Eisennadel in einer Richtung wurde die Nadel magnetisiert. Im aufgehängten Zustand würde es sich dann in Nord-Süd-Richtung ausrichten. Schließlich erklärte der Wissenschaftler William Gilbert, dass diese Nord-Süd-Ausrichtung der magnetisierten Nadeln darauf zurückzuführen sei, dass sich die Erde wie ein riesiger Magnet mit Nord- und Südpolen verhalte.

Eine Kompassnadel ist bei weitem nicht so stark wie viele der heute verwendeten Permanentmagnete. Aber der physikalische Prozess, der Kompassnadeln und Stücke einer Neodymlegierung magnetisiert, ist im Wesentlichen derselbe. Es beruht auf mikroskopischen Regionen, die als magnetische Domänen bekannt sind und Teil der physikalischen Struktur ferromagnetischer Materialien wie Eisen, Kobalt und Nickel sind. Jede Domäne ist im Wesentlichen ein winziger, in sich geschlossener Magnet mit einem Nord- und einem Südpol. In einem unmagnetisierten ferromagnetischen Material zeigt der Nordpol jeder Domäne in eine zufällige Richtung. Magnetische Domänen, die in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, heben sich gegenseitig auf, sodass das Material kein Nettomagnetfeld erzeugt.

Bei Magneten hingegen zeigen die meisten oder alle magnetischen Domänen in die gleiche Richtung. Anstatt sich gegenseitig aufzuheben, verbinden sich die mikroskopisch kleinen Magnetfelder zu einem großen Magnetfeld. Je mehr Domänen in die gleiche Richtung zeigen, desto stärker ist das Gesamtfeld. Das Magnetfeld jeder Domäne erstreckt sich von ihrem Nordpol bis zum Südpol der Domäne vor ihr.

Dies erklärt, warum beim Zerbrechen eines Magneten in zwei Hälften zwei kleinere Magnete mit Nord- und Südpol entstehen. Es erklärt auch, warum entgegengesetzte Pole sich anziehen – die Feldlinien verlassen den Nordpol eines Magneten und treten auf natürliche Weise in den Südpol eines anderen ein, wodurch im Wesentlichen ein größerer Magnet entsteht. Gleiche Pole stoßen sich gegenseitig ab, weil ihre Kraftlinien in entgegengesetzte Richtungen verlaufen und miteinander kollidieren, anstatt sich gemeinsam zu bewegen.

Um einen Permanentmagneten herzustellen, müssen Sie lediglich dafür sorgen, dass die magnetischen Domänen in einem Metallstück in die gleiche Richtung zeigen. Das passiert, wenn man eine Nadel mit einem Magneten reibt – die Einwirkung des Magnetfeldes fördert die Ausrichtung der Domänen. Andere Möglichkeiten, magnetische Domänen in einem Metallstück auszurichten, sind:

Zwei dieser Methoden gehören zu den wissenschaftlichen Theorien über die Entstehung von Magnetsteinen in der Natur. Einige Wissenschaftler spekulieren, dass Magnetit magnetisch wird, wenn es vom Blitz getroffen wird. Andere gehen davon aus, dass Magnetitstücke bei der Entstehung der Erde zu Magneten wurden. Die Domänen richteten sich nach dem Erdmagnetfeld aus, während Eisenoxid geschmolzen und flexibel war.

Die heute gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Magneten besteht darin, Metall in ein Magnetfeld zu legen. Das Feld übt ein Drehmoment auf das Material aus und fördert so die Ausrichtung der Domänen. Zwischen dem Anlegen des Feldes und der Änderung der Domänen gibt es eine leichte Verzögerung, die als Hysterese bezeichnet wird. Es dauert einen Moment, bis die Domains mit der Bewegung beginnen. Folgendes passiert:

Die Stärke des resultierenden Magneten hängt von der Kraft ab, die zum Bewegen der Domänen aufgewendet wird. Seine Beständigkeit oder Remanenz hängt davon ab, wie schwierig es war, die Domänen zur Ausrichtung zu bewegen. Schwer magnetisierbare Materialien behalten im Allgemeinen ihren Magnetismus über längere Zeiträume, während leicht magnetisierbare Materialien häufig in ihren ursprünglichen nichtmagnetischen Zustand zurückkehren.

Sie können die Stärke eines Magneten verringern oder ihn vollständig entmagnetisieren, indem Sie ihn einem Magnetfeld aussetzen, das in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist. Sie können ein Material auch entmagnetisieren, indem Sie es über seinen Curie-Punkt erhitzen, also die Temperatur, bei der sich die magnetischen Eigenschaften eines Objekts ändern. Die Hitze verformt das Material und regt die magnetischen Partikel an, wodurch die Domänen aus der Ausrichtung geraten.

Große, leistungsstarke Magnete finden zahlreiche industrielle Anwendungen, vom Schreiben von Daten bis zum Induzieren von Strom in Drähten. Der Versand und die Installation großer Magnete kann jedoch schwierig und gefährlich sein. Magnete können nicht nur andere Gegenstände während des Transports beschädigen, es kann auch schwierig oder gar nicht möglich sein, sie bei ihrer Ankunft anzubringen. Darüber hinaus neigen Magnete dazu, eine Reihe ferromagnetischer Ablagerungen anzusammeln, die schwer zu entfernen sind und sogar gefährlich sein können. Aus diesem Grund verfügen Einrichtungen, die sehr große Magnete verwenden, häufig über Geräte vor Ort, mit denen sie ferromagnetische Materialien in Magnete umwandeln können. Oft handelt es sich bei dem Gerät im Wesentlichen um einen Elektromagneten.

Wenn Sie „Wie Elektromagnete funktionieren“ gelesen haben, wissen Sie, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, ein Magnetfeld erzeugt. Auch bei Permanentmagneten sind bewegte elektrische Ladungen für das Magnetfeld verantwortlich. Das Feld eines Magneten entsteht jedoch nicht durch einen großen Strom, der durch einen Draht fließt, sondern durch die Bewegung von Elektronen.

Viele Menschen stellen sich Elektronen als winzige Teilchen vor, die den Atomkern so umkreisen, wie Planeten eine Sonne umkreisen. Wie Quantenphysiker derzeit erklären, ist die Bewegung von Elektronen etwas komplizierter. Im Wesentlichen füllen Elektronen die schalenförmigen Orbitale eines Atoms, wo sie sich sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten. Die Elektronen haben eine Ladung und eine Masse sowie eine Bewegung, die Physiker als Spin nach oben oder unten beschreiben.

Im Allgemeinen füllen Elektronen paarweise die Orbitale des Atoms. Wenn sich eines der Elektronen eines Paares nach oben dreht, dreht sich das andere nach unten. Es ist unmöglich, dass sich beide Elektronen eines Paares in die gleiche Richtung drehen. Dies ist Teil eines quantenmechanischen Prinzips, das als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt ist.

Auch wenn sich die Elektronen eines Atoms nicht sehr weit bewegen, reicht ihre Bewegung aus, um ein winziges Magnetfeld zu erzeugen. Da sich gepaarte Elektronen in entgegengesetzte Richtungen drehen, heben sich ihre Magnetfelder gegenseitig auf. Atome ferromagnetischer Elemente hingegen verfügen über mehrere ungepaarte Elektronen, die den gleichen Spin haben. Eisen beispielsweise hat vier ungepaarte Elektronen mit demselben Spin. Da es keine Gegenfelder gibt, die ihre Wirkung aufheben könnten, haben diese Elektronen ein magnetisches Orbitalmoment. Das magnetische Moment ist ein Vektor – es hat eine Größe und eine Richtung. Es hängt sowohl von der magnetischen Feldstärke als auch vom Drehmoment ab, das das Feld ausübt. Die magnetischen Momente eines ganzen Magneten ergeben sich aus den Momenten aller seiner Atome.

In Metallen wie Eisen regt das magnetische Orbitalmoment benachbarte Atome dazu an, sich entlang derselben Nord-Süd-Feldlinien auszurichten. Eisen und andere ferromagnetische Materialien sind kristallin. Beim Abkühlen aus dem geschmolzenen Zustand ordnen sich Gruppen von Atomen mit parallelem Bahnspin innerhalb der Kristallstruktur an. Dadurch entstehen die im vorherigen Abschnitt besprochenen magnetischen Domänen.

Sie haben vielleicht bemerkt, dass die Materialien, aus denen gute Magnete bestehen, dieselben sind wie die Materialien, die Magnete anziehen. Dies liegt daran, dass Magnete Materialien anziehen, deren ungepaarte Elektronen sich in die gleiche Richtung drehen. Mit anderen Worten: Die Eigenschaft, die ein Metall in einen Magneten verwandelt, zieht das Metall auch von Magneten an. Viele andere Elemente sind diamagnetisch – ihre ungepaarten Atome erzeugen ein Feld, das einen Magneten schwach abstößt. Einige Materialien reagieren überhaupt nicht mit Magneten.

Diese Erklärung und die ihr zugrunde liegende Quantenphysik sind ziemlich kompliziert, und ohne sie kann die Idee der magnetischen Anziehung rätselhaft sein. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Menschen magnetischen Materialien schon lange mit Argwohn gegenüberstehen.

Sie können Magnetfelder mit Instrumenten wie Gaussmetern messen und sie mithilfe zahlreicher Gleichungen beschreiben und erklären. Hier sind einige der Grundlagen:

Jedes Mal, wenn Sie einen Computer benutzen, verwenden Sie Magnete. Wenn es in Ihrem Zuhause eine Türklingel gibt, nutzt diese wahrscheinlich einen Elektromagneten, um einen Geräuscherzeuger anzutreiben. Magnete sind auch wichtige Komponenten in Röhrenfernsehern, Lautsprechern, Mikrofonen, Generatoren, Transformatoren, Elektromotoren, Einbruchmeldeanlagen, Kassettenbändern, Kompassen und Autotachometern.

Zusätzlich zu ihrem praktischen Nutzen verfügen Magnete über zahlreiche erstaunliche Eigenschaften. Sie können Strom in Drähten induzieren und Drehmoment für Elektromotoren liefern. Magnetschwebebahnen nutzen magnetischen Antrieb, um mit hoher Geschwindigkeit zu fahren, und magnetische Flüssigkeiten helfen dabei, Raketentriebwerke mit Treibstoff zu füllen.

Das Magnetfeld der Erde, bekannt als Magnetosphäre, schützt sie vor dem Sonnenwind. Laut der Zeitschrift Wired implantieren manche Menschen sogar winzige Neodym-Magnete in ihre Finger, um elektromagnetische Felder zu erkennen.

Magnetresonanztomographen (MRT) nutzen Magnetfelder, um Ärzten die Untersuchung der inneren Organe von Patienten zu ermöglichen. Ärzte setzen gepulste elektromagnetische Felder auch zur Behandlung von Knochenbrüchen ein, die nicht richtig verheilt sind. Mit dieser Methode, die in den 1980er Jahren von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassen wurde, können Knochen repariert werden, die auf andere Behandlungen nicht angesprochen haben. Ähnliche Impulse elektromagnetischer Energie können dazu beitragen, Knochen- und Muskelschwund bei Astronauten zu verhindern, die sich über längere Zeiträume in Schwerelosigkeitsumgebungen aufhalten.

Magnete können auch die Gesundheit von Tieren schützen. Kühe sind anfällig für eine Erkrankung namens traumatische Retikuloperikarditis oder Hardware-Krankheit, die durch das Verschlucken von Metallgegenständen entsteht. Verschluckte Gegenstände können den Magen einer Kuh durchbohren und ihr Zwerchfell oder Herz schädigen. Magnete tragen maßgeblich dazu bei, diesen Zustand zu verhindern.

Eine Praxis besteht darin, einen Magneten über das Futter der Kühe zu halten, um Metallgegenstände zu entfernen. Eine andere besteht darin, die Kühe mit Magneten zu verfüttern. Lange, schmale Alnico-Magnete, sogenannte Kuhmagnete, können Metallteile anziehen und verhindern, dass diese den Magen der Kuh verletzen.

Menschen hingegen sollten niemals Magnete essen, da diese durch die Darmwände einer Person aneinander haften können, den Blutfluss blockieren und Gewebe abtöten. Bei Menschen müssen verschluckte Magnete häufig operativ entfernt werden.

Einige Menschen befürworten den Einsatz der Magnetfeldtherapie zur Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten und Beschwerden. Laut Praktikern können magnetische Einlegesohlen, Armbänder, Halsketten, Matratzenauflagen und Kissen alles von Arthritis bis Krebs heilen oder lindern. Einige Befürworter weisen auch darauf hin, dass der Konsum von magnetisiertem Trinkwasser verschiedene Beschwerden behandeln oder verhindern kann.

Befürworter bieten mehrere Erklärungen dafür, wie das funktioniert. Zum einen zieht der Magnet das im Hämoglobin im Blut enthaltene Eisen an und verbessert so die Durchblutung eines bestimmten Bereichs. Ein weiterer Grund ist, dass das Magnetfeld irgendwie die Struktur benachbarter Zellen verändert.

Wissenschaftliche Studien haben jedoch nicht bestätigt, dass die Verwendung statischer Magnete Auswirkungen auf Schmerzen oder Krankheiten hat. Klinische Studien deuten darauf hin, dass die positiven Vorteile, die Magneten zugeschrieben werden, tatsächlich auf den Zeitablauf, die zusätzliche Polsterung in magnetischen Einlegesohlen oder den Placebo-Effekt zurückzuführen sind. Darüber hinaus enthält Trinkwasser normalerweise keine Elemente, die magnetisiert werden können, was die Idee eines magnetischen Trinkwassers fraglich macht.

Ursprünglich veröffentlicht: 2. April 2007

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