Die Welt mit Magneten versorgen

Eines der erstaunlichsten Naturphänomene ist die Manifestation von Magnetismus in einigen Materialien. Permanentmagnete sind seit der Antike bekannt. Vor den großen Entdeckungen auf dem Gebiet der Elektrizität wurden Permanentmagnete von Ärzten aktiv genutzt. Im Laufe der Zeit lernten die Menschen, künstliche Magnete herzustellen, indem sie Eisenlegierungsprodukte in Magnetfelder legten. Permanentmagnete werden häufig in der Industrie in verschiedenen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Elektrotechnik, Computertechnologie, Transportwesen, Navigation, Medizin, Biologie, Astronomie usw. Die Hauptanwendung von Magneten liegt in der Elektrotechnik, Funktechnik, Instrumentierung, Automatisierung und Tele- Mechanik. Ohne magnetische Materialien wäre beispielsweise eine Elektrifizierung nicht möglich, da zur Stromerzeugung Generatoren, Transformatoren zur Stromübertragung sowie Lautsprecher für Elektromotoren, Telefone, Radios und Fernseher verwendet würden.

Die aktive Einführung von Permanentmagneten in die menschliche Tätigkeit regt die Erfindung und Herstellung neuer ferromagnetischer Legierungen mit verbesserten magnetischen Eigenschaften an.

Reine magnetische Metalle

Eisen, Kobalt, Nickel, Gadolinium – nur diese vier Metalle sind bei Umgebungstemperatur rein und magnetisch. Diese Eigenschaft wird Ferromagnetismus genannt. Alle industriell für Permanentmagnete verwendeten Seltenerdlegierungen enthalten diese Metalle.

Es gibt jedoch 9 Metalle, die starke magnetische Eigenschaften haben, von Magneten angezogen werden können und selbst zu Magneten werden können: Eisen, Kobalt, Nickel, aber auch Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium. Aluminium, Platin, Chrom, Titan, Vanadium und Mangan werden von Magneten nur sehr schwach angezogen. Sie magnetisieren so wenig, dass es ohne Spezialwerkzeuge unmöglich ist, ihre magnetischen Eigenschaften zu erkennen.

Ferromagnetische Metalle

Ferromagnetische Metalle werden von Objekten mit Magnetfeldern stark angezogen und können ihre magnetischen Eigenschaften behalten, nachdem der Magnet von ihnen entfernt wurde. Sie werden zur Herstellung von Permanentmagneten verwendet. Die wichtigsten ferromagnetischen Metalle sind Eisen, Nickel, Kobalt, Gadolinium und Dysprosium. Wenn ein Stück ferromagnetisches Metall neben einen Magneten gehalten wird, ist eine ausreichend starke Anziehungskraft zu spüren.

Ferromagnetische Legierungen

Ferromagnetische Legierungen sind Materialien wie Stahl, die ferromagnetische Metalle enthalten. Stähle sind eine Kombination aus Eisen und mehreren anderen Metallen und härter als Eisen. Aufgrund dieser Härte kann Stahl seinen Magnetismus länger behalten als Eisen. Beim Erhitzen auf hohe Temperaturen verliert Stahl seine magnetischen Eigenschaften. Dies kann auch bei ferromagnetischen Metallen wie Nickel der Fall sein.

Ferrimagnetische Materialien

Ferrimagnetische Materialien sind Ferrit, Magnetit und Magnesium. Sie alle enthalten als Hauptbestandteil Eisenoxide sowie Oxide anderer Metalle. Lodestone ist Magnetit, der von Natur aus magnetisiert ist. Magnetit wird von Magnetfeldern angezogen, magnetisiert sich jedoch normalerweise nicht selbst. Ferrimagnetische Materialien ähneln Ferromagneten, weisen jedoch eine geringere magnetische Anziehungskraft auf.

Paramagnetische Metalle

Paramagnetische Metalle werden vom Magneten nur schwach angezogen und behalten ihre magnetischen Eigenschaften nicht bei, wenn sie vom Magneten entfernt werden. Dazu gehören Kupfer, Aluminium und Platin. Die magnetischen Eigenschaften paramagnetischer Metalle hängen von der Temperatur ab und Aluminium, Uran und Platin werden für die Magnetfelder attraktiver, wenn sie sehr kalt sind. Paramagnetische Substanzen haben eine viel geringere Anziehungskraft auf Magnete als ferromagnetische Materialien, und zur Messung der magnetischen Anziehung sind sehr empfindliche Instrumente erforderlich.

Ist Edelstahl magnetisch?

Es gibt über 120 verschiedene Edelstahlsorten! Enthält eine Legierung mindestens 12 % Chrom, gilt sie als rostbeständiger Edelstahl. Die meisten Edelstähle bestehen aus austenitischen Legierungen und sind nur schwach magnetisch. Stahl mit ferritischem oder martensitischem Gefüge ist magnetisch. Wenn eine Stahlsorte ein Mischgefüge aus Ferrit und Austenit enthält, bestimmt der Ferritanteil die magnetischen Eigenschaften des Stahls.

Über das magnetische Verhalten von Edelstahl gibt es einen weit verbreiteten Mythos. Viele Leute denken, dass alle Arten von Edelstahl einen Magneten anziehen können. Das stimmt überhaupt nicht. Tatsächlich funktionieren Magnete auf einigen Arten von Edelstahl. Es gibt viele Arten von Edelstahl, wir können sie jedoch in zwei Hauptkategorien einteilen: austenitisch und ferritisch. Jede Klassifikation hat einzigartige Atomanordnungen. Aus diesem Grund treffen wir oft auf einige rostfreie Stähle, die nicht magnetisch sind, und andere, die es sind. Die grundlegenden Edelstähle mit ferritischer Struktur ziehen im Gegensatz zu den häufigeren austenitischen Typen einen Magneten an. Aufgrund der Struktur und der hohen Eisenkonzentrationen sind ferritische Edelstähle magnetisch.

Edelstahl ist eine Legierung aus Eisen, Kohlenstoff und Chrom. Es hat eine gute Korrosionsbeständigkeit und ist sehr stark. Es besitzt jedoch keinen Magnetismus. Wie wird es also zur Herstellung von Magneten verwendet?

Die Antwort liegt in den Gesetzen der Physik. In der Molekülstruktur von Metallen gibt es mehrere Atome, die Mikromagnetfelder erzeugen. In einer freien, ungeordneten Anordnung von Atomen bilden die verschiedenen Magnetfelder keine gemeinsame Kraft, sondern heben sich gegenseitig auf. In diesem Fall gibt es kein Magnetfeld. Wenn Atome hingegen in der gleichen Richtung angeordnet sind, heben sich ihre Magnetfelder nicht gegenseitig auf, sondern koordinieren sich und sammeln sich daher, wodurch ein starkes Magnetfeld entsteht. Aus diesem Grund werden einige Metalle wie Eisen von einem anderen magnetisierten Metall angezogen, da sich ihre Mikromagnetfelder in die gleiche Richtung ausrichten und das Magnetfeld des magnetisierten Metalls bilden.

Edelstahl erkennen

Wenn es riecht, ist es kein Edelstahl. Es kann poliert oder lackiert werden, enthält aber auch andere Elemente. Einige Hersteller fügen ihrem Edelstahl eine kleine Menge Nickel (oder ein anderes Metall) hinzu, um Magnete anzuziehen. Es handelt sich nicht wirklich um Edelstahl, sondern um eine Kombination aus Edelstahl und einer Nickellegierung. Für ein rostfreies Stück Edelstahl ist die Qualität „304“ oder „316“ erforderlich.

Arten von Edelstahl

Die anderen Arten von rostfreiem Stahl, ferritisch und martensitisch, entwickeln eine schwache Magnetisierung. Insbesondere die Festigkeit von Edelstahl, seine rostfreie Beschaffenheit und seine Stoßfestigkeit haben nichts mit der Tatsache zu tun, dass er magnetisiert ist. Bezüglich ihrer Verwendung ist zu erwähnen, dass das Schweißen auf ferritischem Edelstahl die Molekularstruktur irreparabel beeinträchtigt, was zu Problemen führen kann. Austenitischer Edelstahl hingegen lässt sich perfekt schweißen. Ein ferritischer Edelstahl rostet nicht, die Korrosionsbeständigkeit ist eine Frage der chemischen Zusammensetzung und hat nichts mit seiner magnetischen Kapazität zu tun.

Magnetischer Stahl, der weniger bekannte Teil des Elektromotors

Mit Silizium dotierter und zu dünnen Blechen gewalzter Magnetstahl ist für die Herstellung des Herzstücks von Elektromotoren unerlässlich. Trotz der Erhöhung der Produktionskapazität der Stahlproduzenten in Europa könnte die Nachfrage das Angebot übersteigen. Im Schatten der Bedenken im Zusammenhang mit Nickel und Kobalt ist Magnetstahl eine viel diskretere Legierung, die den Aufstieg von Elektrofahrzeugen bremsen könnte und die Hersteller dazu zwingt, ihre Kapazitäten dringend anzupassen. Mitte März dieses Jahres kündigte der Stahlgigant ArcelorMittal an, dass er über 300 Millionen Euro in seinen Standort in Mardyck investieren werde, um elektrische (oder magnetische) Walzwerke zu installieren. Obwohl diese Erlaubnis der breiten Öffentlichkeit nicht bekannt ist, wurde die Ankündigung von der Branche erwartet. In den Rotoren und Statoren von Elektromotoren und in Transformatoren ist dieser mit Silizium dotierte und in dünnen Scheiben gestapelte Stahl unerlässlich, um die Zirkulation des Magnetfelds zu optimieren und eine gute Leistung des Autos zu gewährleisten.

Magnetismus von Gold

Reines Gold wird nicht von Magneten angezogen. Die unreinen Goldstücke werden unter einem großen Magnetfeld leicht magnetisch. Gold ist diamagnetisch und paramagnetisch und die Wirkungen können sich gegenseitig aufheben. Daher wird Gold von einem Magneten weder angezogen noch abgestoßen. Eine unreine Form von Gold, wie zum Beispiel 18- und 22-Karat-Goldschmuck, besteht aus ferromagnetischen Materialien. Diese Materialien werden hinzugefügt, um Gold härter und verschleißfester zu machen.

In solchen Fällen hängt der Magnetismus von Gold vom darin eingeschmolzenen Metall ab. Wenn Hersteller beispielsweise Gold mit Eisen mischen, entsteht eine extrem magnetische Legierung. Wenn es mit Silber vermischt wird, entsteht nichtmagnetisches Weißgold.

Magnete können nützlich sein, um Goldmünzen und -barren zu testen. Wenn die Goldmünze einen Reinheitsgrad von über 99 % aufweist, sollte sie nicht durch einen Magneten beeinträchtigt werden.

Gold lässt sich durch Hitze magnetisieren

Im Jahr 2016 entdeckte ein Forscherteam der Tohoku-Universität in Japan, dass Gold durch die durch einen Temperaturgradienten erzeugte Hitze magnetisiert werden kann. Die Studie beleuchtet auch die durch Spininjektion veränderte Elektronentransporteigenschaft und bietet somit einen vielseitigen Ansatz für die Erzeugung und Erkennung von Nichtgleichgewichtsmagnetisierung in gewöhnlichen Metallen.

Permanentmagnete

Permanentmagnete sind „harte“ magnetische Materialien, dh Materialien, die nach der Magnetisierung ihre Magnetisierung bei der Einsatztemperatur beibehalten. Ihre magnetischen Eigenschaften werden in erster Linie durch die Eigenschaften der Verbindungen bestimmt, aus denen sie bestehen. Außerdem hängen sie stark von der Mikrostruktur des Materials ab, das durch den Herstellungsprozess entsteht.

In den meisten Anwendungen auf dem Markt werden vier Materialfamilien für Permanentmagnete verwendet. Dabei handelt es sich um Alnicos, Hartferrite, Samarium-Kobalt und Neodym-Eisen-Bor. Es gibt auch andere Materialien, deren Einsatzmöglichkeiten jedoch sehr begrenzt sind. Dies sind: duktile Legierungen, Mangan-Aluminium-Kohlenstoff-Legierungen, harte martensitische Stähle oder Magnete auf Mikropulverbasis.

Der Begriff Permanentmagnet leitet sich von der Fähigkeit des Magneten ab, eine induzierte magnetische Ladung beizubehalten, nachdem er aus dem Magnetisierer entfernt wurde. Permanentmagnete werden zur Herstellung von Kompassen, Funksendern, verschiedenen elektrischen Messgeräten usw. benötigt. Normalerweise bestehen sie aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt. Permanentmagnete kommen erstmals in einer neuen hochmagnetisierbaren Legierung namens Magnico zum Einsatz, die aus Kobalt, Nickel, Kupfer, Aluminium und Eisen besteht.

Beste Metalle zur Verwendung in einem Magnetkreis

Bei statischen Feldgeräten ist aus wirtschaftlicher Sicht generell massiver Stahl die beste Wahl. Für Polteile sollte nach Möglichkeit kohlenstoffarmer Stahl (ASME 1006 – 1018) verwendet werden, der nach der Verarbeitung mit Wasserstoff angereichert werden sollte. Die rostfreien Stähle der 400er-Serie können verwendet werden, sind aber magnetisch nicht so gut wie kohlenstoffarmer Stahl, sodass die Teile zum Ausgleich möglicherweise größer sein müssen.

Unterschied zwischen den magnetischen Materialien AlNiCo, SmCo und NdFeB

AlNiCo ist ein älteres magnetisches Material, das immer noch wichtige Anwendungen hat. Sein maximales Energieprodukt beträgt etwa 1/5 des SmCo-Materials, es weist jedoch hervorragende Eigenschaften bei hohen Temperaturen und eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf. AlNiCo kann in verschiedenen Formen mit unterschiedlichen magnetischen Ausrichtungen gegossen werden. AlNiCo-Magnete werden häufig verwendet, zunächst in militärischen elektronischen Anwendungen und später in zivilen Versionen wie Automobil- und Flugzeugsensoranwendungen. Die Entwicklung von Alnico-Magneten markierte den Beginn einer neuen Denkweise über magnetische Materialien, bei der Verbundmaterialien mit mehreren Phasen hergestellt werden und denen der einzelnen Komponenten überlegen sind.

Der Trend hin zu Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB) war eine Folge der gestiegenen Kosten für Co in den späten 1970er Jahren, einem entscheidenden Bestandteil der SmCo-Magnete.

SmCo- und NdFeB-Seltenerdmagnete haben eine hohe Koerzitivfeldstärke, sodass sie im Stromkreis nicht magnetisiert werden müssen und mit niedrigen Permeabilitätskoeffizienten (d. h. dünne Scheiben) verwendet werden können. Diese Materialien eignen sich aufgrund ihrer normalen geradlinigen Kurven auch zum Testen der Helmholtz-Spule. Dies macht Seltene Erden auch ideal für Motoren und Hochfelddipole. SmCo weist eine gute Beständigkeit gegen thermische Entmagnetisierung auf, ist jedoch zerbrechlich. NdFeB ist weniger spröde, hat schlechte thermische Eigenschaften und ist anfällig für Korrosion.

Vorteil eines Permanentmagneten gegenüber einem Elektromagneten

Im Allgemeinen ist das zur Erzeugung eines bestimmten statischen Feldes erforderliche Raumvolumen bei Permanentmagneten geringer, wenn der Arbeitsraum klein ist; Elektromagnete gewinnen in größeren Geräten. Die limitierenden Faktoren für Elektromagnete sind der Platzbedarf der Wicklungen, die Stromversorgung und die beim Betrieb entstehende Wärme. Permanentmagnete benötigen keine Stromversorgung und sind daher platz- und energiesparend. Mit einem einstellbaren Netzteil lässt sich das Magnetfeld eines Elektromagneten ganz einfach anpassen, indem einfach der Eingangsstrom angepasst wird. Allerdings können einstellbare Permanentmagnete verwendet werden, wenn das Feld nicht häufig angepasst werden muss.

Warum sind Seltenerdmagnete so teuer?

Bei Seltenerdmagneten sind die zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften verwendeten Metalle schwer zu extrahieren. Die magnetbezogenen Elemente machen einen kleinen Teil der abgebauten Lanthaniden aus, sodass Material nicht in großen Mengen produziert werden kann. Da die feinen Pulver pyrophor sind, müssen die Produktionsbedingungen sehr streng kontrolliert werden, und aufgrund des erforderlichen Drucks ist die Größe der Blöcke, die geformt werden können, begrenzt. Eine nachträgliche Bearbeitung der Magnete erhöht die Kosten. Da die Magnete typischerweise sehr hart sind, sind Schleif- und Bearbeitungsvorgänge langsam.

Rolle von Magneten bei grüner Energie

Magnetische Materialien, insbesondere Permanentmagnete, sind für die effiziente Leistung vieler erneuerbarer Energietechnologien von entscheidender Bedeutung. Die zunehmende Abhängigkeit von erneuerbaren Energiequellen hat die Forschung im Bereich energiebezogener Technologien weltweit beschleunigt. Die Verwendung von Seltenerdmetallen in Permanentmagneten gibt aufgrund des begrenzten Angebots an Seltenen Erden in Verbindung mit den schwindenden Reserven auf der Welt weiterhin Anlass zu größerer Besorgnis.

Der Antrieb für die Entwicklung von Permanentmagneten ergibt sich aus der Notwendigkeit, ein hohes magnetisches Energieprodukt über kleinere Magnetmengen zu erhalten, das in einigen technologischen Anwendungen wie sauberen Energietechnologien (Windturbinengeneratoren und regenerative Hybridmotoren) und Transportkomponenten genutzt werden könnte und Konsumgüter. Magnetische Materialien spielen in der modernen Gesellschaft eine zentrale Rolle, da sie auf einzigartige Weise mehrere Aufgaben erfüllen können: mechanische in elektrische Energie umwandeln; elektrische Energie übertragen und verteilen; Erleichterung der Mikrowellenkommunikation; Bereitstellung von Grundlagen für Datenspeichersysteme (Wallace Matizamhuka – The Impact of Magnetic Materials in Renewable Energy).

NdFeB-Permanentmagnete ermöglichen den Ersatz mechanischer Getriebe in Windkraftanlagen durch direkt angetriebene Permanentmagnetgeneratoren und reduzieren so das Gesamtgewicht der Turbine, die Kosten für andere Komponenten wie Beton und Stahl, die zur Unterstützung schwerer Getriebe erforderlich sind, und eine Reduzierung der Anzahl beweglicher Teile was grundsätzlich eine höhere Zuverlässigkeit und Effizienz ermöglicht. Permanentmagnet-Synchrongeneratoren nutzen das Magnetfeld starker Seltenerdmagnete, um die Energie der rotierenden Rotorblätter in Elektrizität umzuwandeln. Diese Generatoren können bei niedrigen Drehzahlen betrieben werden, sodass sie direkt von der Turbinenwelle angetrieben werden können, sodass kein Getriebe erforderlich ist. Dadurch wird das Gewicht der Windkraftanlagengondel reduziert. Der Wegfall des Getriebes führt zu einer verbesserten Zuverlässigkeit, geringeren Wartungskosten und einer verbesserten Effizienz. Die Eigenschaften von Magneten, die es Konstrukteuren ermöglichen, auf mechanische Getriebe in Windkraftanlagen zu verzichten, veranschaulichen, wie Magnete auf innovative Weise zur Lösung sowohl betrieblicher als auch wirtschaftlicher Probleme in modernen Windkraftanlagen eingesetzt werden können.

Heute sind Elektro-/Hybrid-Elektrofahrzeuge wieder eine realistische Alternative zu Benzinfahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Der Erfolg von Elektrofahrzeugen ist den hocheffizienten Permanentmagnetmotoren zu verdanken, die den Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs antreiben. Die Verwendung des hartmagnetischen Materials NdFeB bietet ganz erhebliche Vorteile, was die Entwicklung hocheffizienter Traktionsmotoren ermöglicht hat, die mit anderen Technologien nicht möglich waren.

Anstelle von rotierenden Windturbinen nutzt die Wasserkraft fließendes Wasser. Wasserkrafttechnologien erzeugen Strom, indem sie den durch einen Damm oder ein Umleitungsbauwerk erzeugten Höhenunterschied des Wassers nutzen, das auf der einen Seite einfließt und auf der anderen Seite weit unten abfließt. Wasser fließt durch den Damm und dreht ein großes Rad, eine sogenannte Turbine. Die Turbine dreht eine Welle, die eine Reihe von Magneten an Kupferspulen und einem Generator vorbei dreht, um sauberen, erneuerbaren Strom zu erzeugen.

Solarenergie nutzt Sonnenkollektoren, um Sonnenenergie in thermische oder elektrische Energie umzuwandeln. Bei der Herstellung dieser Solarmodule werden dünne Filme in mehreren Schichten durch einen Prozess namens „Sputtern“ oder PVD (Physical Vapour Deposition) abgeschieden. Um diesen Prozess zu optimieren, verbessern Permanentmagnetbaugruppen die Ausnutzung des abzuscheidenden Materials.

Im Geothermieprozess werden Magnete zur Erzeugung elektrischer Ströme eingesetzt. Während sich die heiße Flüssigkeit ausdehnt und die mechanische Energie erzeugt, die zum Drehen der Turbinenschaufeln erforderlich ist, dreht die Turbine Magnete in einer großen Spule und erzeugt so einen elektrischen Strom.

Der Einsatz weichmagnetischer Materialien in Transformatoren zur Stromerzeugung und -umwandlung für das Stromnetz spielt eine zentrale Rolle bei der Stromerzeugung. Die Leistung von Weichmagneten ist materialspezifisch und wird von Eigenschaften wie geringer Koerzitivkraft und Kernverlusten, hoher Sättigungsmagnetisierung, spezifischem Widerstand und Permeabilität dominiert, was diese Materialien für die effiziente Übertragung und Verteilung von Elektrizität attraktiver macht.

Magnete für den Öl- und Gassektor

Die Öl- und Gasindustrie bietet einige der anspruchsvollsten Umgebungen und anspruchsvollen Anwendungen für Magnete und Magnetbaugruppen. Für diese Branche wird die Verwendung von Seltenerdmagneten wie Neodym- und Samarium-Kobalt-Magneten empfohlen. Dies liegt an ihren äußerst wünschenswerten Eigenschaften wie ihrer hohen Koerzitivkraft und Hochtemperaturstabilität. Während Samarium-Kobalt-Magnete korrosionsbeständige Eigenschaften haben, ist dies bei Neodym-Magneten nicht der Fall. Darüber hinaus werden Seltenerdmagnete verwendet, um Ablagerungen zu entfernen, die durch die Alterung von Ölanlagen, Rohren und unerwünschten Eisenmaterialien entstehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Eigenschaften von Magneten in verschiedenen Bereichen weit verbreitet sind und für die gesamte Menschheit von Nutzen sind.