Problemfall: Neodym

Neodym (Nd, Ordnungszahl: 60) gehört zu den so genannten "seltenen Erden". Neodym wurde erstmals vom österreichischen Chemiker Carl Auer von Welsbach isoliert. Auer von Welsbach gehört zu den Mitbegründern des bekannten Leuchtmittelherstellers OSRAM und erfand den Zündstein, der noch heute die Grundlage der Einweg-Feuerzeuge ist. Seine Entwicklungen und sein Schaffen kann im Auer von Welsbach-Museum in Althofen (Kärnten, Österreich) besichtigt werden: http://www.auer-von-welsbach-museum.at/de/

Die meisten derzeit bekannten und erschlossenen Vorkommen befinden sich in China. Neodym und andere seltene Erden sind jedoch erforderlich für die Herstellung von moderner Kommunikationselektronik, von leistungsfähigen Mini-Motoren, für Akkuschrauber und nicht zuletzt von Windkraftgeneratoren. Magnete, die aus Eisen-Neodym-Bor gefertigt werden, erreichen eine Remanenz von weit über 1 T und können eine Koerzitivfeldstärke von fast 2800 kA/m haben. Mit derartig starken Magneten können leistungsfähige Generatoren gebaut werden, die dennoch extrem klein und leicht sind. Diese Anforderungen stellen moderne Windkraftwerke.

Die Gewinnung von Neodym ist mit großen Umweltbeeinträchtigungen verbunden. So werden unter anderem Uran und giftiges Thorium freigesetzt. Die in China gängigen Standards im Bergbau entsprechen nicht denen Europas. Das ruft Kritiker von Windkraftanlagen mit Neodymgeneratoren auf den Plan und führt zu weiteren Widerstand gegen regenerative Energietechnologien. Dies ist allerdings erheblich zu kurz gesprungen, denn so gut wie kein Widerstand regt sich gegen moderne Akku-Staubsauger und gegen gefärbtes Glas, bei dessen Herstellung Neodym seit Jahrzehnten eine große Rolle spielt.

Es sei allerdings weiterhin erwähnt, dass auch die Förderbedingungen für Kohle in China nicht den europäischen Standards entsprechen und natürlich auch beim Abbau von Uran, was für den Betrieb von Kernkraftwerken benötigt wird, ganz erhebliche Umweltschäden in Kauf genommen werden. Es wäre also unfair, allein das Argument des umweltschädlichen Neodym-Abbaus ins Feld zu führen und dafür den weiteren Betrieb von Kernkraftwerken und die Nutzung fossiler Brennstoffe mit drastischen Konsequenzen für Mensch und Umwelt zu akzeptieren. Windkraftanlagen sind also auch beim Einsatz von Generatoren mit Neodym eine insgesamt umweltfreundlichere Alternative zur Erzeugung elektrischen Stroms.

(rs/02-2012)

Mit Elektromagnetismus erklärbare Effekte

Mit den elektromagnetischen Grundlagen lassen sich verschiedene Effekte erklären, die in der Elektrotechnik eine wichtige Rolle spielen:

  • Wirbelstom

  • Skineffekt

Diese Effekte basieren auf dem Prinzip, dass wechselnde Magnetfelder in elektrischen Leitern Spannungen induzieren, die wiederum einen Strom treiben, wenn der Kreis geschlossen ist.

Wirbelströme

Wirbelströme entstehen, wenn großflächige elektrisch leitende Materialien einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt werden. Die induzierten Spannungen treiben einen Strom, der sich innerhalb der Metallfläche schließt und in scheinbar unkoordinierten Bahnen fließt. Die so erzeugte elektrische Energie wird in Wärme umgesetzt. Natürlich erzeugen diese Ströme ihrerseits ein magnetisches Feld, ein Effekt, den man sich in der Praxis in Wirbelstrombremsen zunutze macht. Auch klassische (analoge) Elektrizitätszähler arbeiten nach dem Prinzip des Wirbelstroms. Hier wird eine Aluminiumscheibe einem Magnetfeld ausgesetzt, dessen Stärke sich aus dem Stromfluss über die elektrischen Leitungen ergibt. Da die Spannung konstant ist, ist der Strom proportional der Leistung. In der Scheibe werden vom Magnetfeld elektrische Ströme induziert, die ihrerseits ein dem erzeugenden Feld entgegengesetztes Magnetfeld erzeugen. Auf diese Weise ist die Drehgeschwindigkeit der Messscheibe abhängig vom fließenden Strom und damit von der auf Nutzerseite umgesetzten elektrischen Leistung.

Skineffekt

Wirbelströme erklären auch den so genannten Skineffekt. Zur Erinnerung: Ein sich veränderndes magnetisches Feld induziert eine Spannung und treibt einen Strom. Dies geschieht auch innerhalb eines lang gezogenen Leiters, also innerhalb eines Drahtes. Man stelle sich innerhalb des Leiters eine Menge in gleicher Richtung fließender Teilströme vor. Diese werden natürlich von magnetischen Feldern umgeben, die ihrerseits im Leiterwerkstoff eine Spannung induzieren, die ihrer Ursache entgegen gerichtet ist. Infolge dessen entsteht ein Verdrängungseffekt von der Leitermitte hin an den Rand des Leiters. Da bedeutet, dass die Stromdichte eines Leiters bei einem Wechselstrom in dessen Zentrum geringer ist als an dessen Randbereichen. Wie stark der Verdrängungseffekt ist, hängt davon ab, wie hoch der fließende (Wechsel)Strom und wie hoch dessen Frequenz ist.

Der Skineffekt erklärt die Anordnung der Hochspannungskabel an Freileitungstrassen: Hier werden oft zwei bis vier Einzeldrähte für nur eine Phase geführt. Die einzelnen Leiter können so jeweils mit einem geringeren Querschnitt ausgeführt und transportieren nur einen Teilstrom. Damit wird die Wirkung des Skineffektes verringert und die Trasse kann größere Leistungen verlustfrei übertragen.

Auch Gleichströme erzeugen natürlich ein Magnetfeld, doch nur die Veränderung des magnetischen Feldes induziert eine Spannung. Aus diesem Grunde bilden sich bei Gleichstrom keine Wirbelstromfelder aus und es entsteht kein Verdrängungseffekt. Für die Übertragung großer elektrischer Leistungen ist also Gleichstrom die ideale Lösung. Dass sich ursprünglich hier der Wechselstrom durchsetzte, liegt im Ohm'schen Gesetz begründet, wonach ein großer Strom einen entsprechend großen Spannungsabfall an einem Widerstand, hier die Leitung, zur Folge hat. Entsprechend groß sind die Leitungsverluste bei der Übertragung großer Ströme. Wechselstrom hat den Vorteil, transformierbar zu sein. Die elektrische Leistung wird mit nur geringen Verlusten übertragen, wenn die Spannung sehr hoch ist und damit der Strom relativ klein gehalten werden kann. ZU Zeiten Edisons und Westinghouses war dies noch nicht realisierbar. Heute gibt es moderne Technologien, mit denen auch Hochspannungs-Gleichstromübertragungen (HGÜ) möglich sind, doch noch sind die Übertragungsnetze nicht konsequent auf diese Technologie umgerüstet worden.

(rs/02-2012)

Magnetfeld einer Spule

Interessant wird nun die Annahme, ein gestreckter, Strom durchflossener Draht werde zu einem Kreis gebogen. Folgt man dem Draht nun in Stromrichtung und nimmt an, der Draht wäre rechtsläufig zum Kreis gebogen, dann wird das magnetische Feld von oben in die Mitte des Kreises verlaufen. An der Unterseite wird das Magnetfeld den Kreis verlassen. Dort wird also der magnetische Nordpol des Drahtkreises sein, was wieder – wie im Experiment, vgl. Beitrag „Ein Strom durchflossener Leiter“ – mit einer Kompassnadel nachgewiesen werden kann. Oberhalb des Kreises befindet sich demzufolge der Südpol.

Nun spricht man auch gerne von der Magnetkraft. Der Magnetismus gehört tatsächlich zu den so genannten „Urkräften“ des Universums. Kräfte sind messbar, zum Beispiel durch Vergleichsgrößen. Eine Möglichkeit ist der Versuch, ein Eisenpendel mithilfe der Magnetkraft aus der Ruheposition abzulenken. Mit dem zum Kreis gebogenen Draht, der in ausreichender Nähe platziert ist und mit ausreichender Stromstärke durchflossen wird, lässt sich die sensible Kompassnadel ablenken. Ein Eisenpendel mit einer im Vergleich zur Kompassnadel größeren Masse wird dagegen kaum reagieren. Die Kraft des magnetischen Feldes der einzelnen Drahtwindung ist einfach zu schwach!

Stark im Team – Mehrere Windungen bringen Kraft

Anders sieht es dagegen aus, wenn der Draht mehrfach gewunden wird. Der gebogene Draht wird zur Spule. Mehrere hundert Windungen – bei gleich bleibender Stromstärke – verstärken die Wirkung des Magnetfeldes auf das Eisenpendel. Es schlägt deutlich sichtbar aus. Offenbar besteht also ein direkter Zusammenhang zwischen der Kraft des Magnetfeldes und der Windungszahl.

Abhängigkeit von der Stromstärke

Ähnliches kann man beobachten, wenn die Zahl der Windungen konstant bleibt und die Stärke des die Spule durchfließenden Stroms verändert wird. Die Kraft des Magnetfeldes variiert mit der Stärke des Stromes in den Spulendrähten. Je größer der Strom ist, umso stärker reagiert das Eisenpendel.

Ein Strom durchflossener Leiter zur Spule gewickelt, verstärkt das Magnetfeld bei gleichem Strom. Das Magnetfeld ist proportional der Windungszahl und der Stromstärke.
Ein Strom durchflossener Leiter zur Spule gewickelt, verstärkt das Magnetfeld bei gleichem Strom. Das Magnetfeld ist proportional der Windungszahl und der Stromstärke.

Begriff der Durchflutung (Q)

Die magnetische Wirkung, der mit einem Strom (I) durchflossenen Spule, hängt, wie beschrieben, von der Stromstärke und der Anzahl der Windungen (n) der Spule ab. In beiden Fällen wirken Strom und Windungszahl proportional auf den magnetischen Effekt. Das Produkt aus Strom und Windungszahl wird als die magnetische Durchflutung bezeichnet. Da die Windungszahl ohne Einheit angegeben wird, führt die magnetische Durchflutung wie auch der elektrische Strom die Einheit Ampere.

Formelzeichen der magnetischen Durchflutung ist der große griechische Buchstabe Theta Q.

Q = n * I

Die Durchflutung wird auch als magnetische Spannung bezeichnet. Dabei sollte man sich nicht von der Tatsache irritieren lassen, dass Ampere auch die Maßeinheit des elektrischen Stromes ist. Die Durchflutung beschriebt die erregende Kraft, die durch die magnetische Feldstärke (H) hervor gerufen wird.

Magnetische Feldstärke (H)

Wie gesehen, erzeugt ein elektrischer Strom durch einen Leiter um diesen herum ein magnetisches Feld. Wird der Leiter zu einer Spule gewunden, bedeutet dies also, dass sich um jede einzelne Windung ein magnetisches Feld bildet, deren Wirkungen sich in einer Spule einander ergänzen. Je mehr Windungen die Spule also hat, umso größer ist das gesamte Magnetfeld.

Es spielt allerdings noch etwas anderes eine entscheidende Rolle: die Geometrie der Spule. So ist die Länge der Spule und damit auch die der sie durchlaufenden Feldlinien eine wichtige Größe. Die Feldlinien treten per Definition am magnetischen Nordpol aus und suchen außerhalb der Spule den Weg zu deren Südpol. Es gibt sowohl sehr nahe bei der Spule liegende als auch sich sehr weit in den Raum erstreckende Feldlinien. Mit der so genannten mittleren Feldlinienlänge (l) ist eine durchschnittliche Größe definiert, mit deren Hilfe die Feldstärke (H) berechnet werden kann. Die Feldstärke ist definiert aus dem Quotienten der magnetischen Durchflutung und der mittleren Feldlinienlänge.

H = Q / l

Dies bedeutet, dass die Feldstärke zweier Spulen bei gleicher Windungszahl und gleicher Stromstärke unterschiedlich ist, wenn die Spulen verschieden lang sind. Die Feldstärke wird an der kürzeren der beiden Spulen größer sein als an der längeren.

Die Einheit der magnetischen Feldstärke ist das Oerstedt (Oe), benannt nach dem dänischen Physiker Hans-Christian Oerstedt. Ein Oerstedt entspricht einem Ampere pro Meter, wobei sich die Einheit Ampere selbstverständlich auf die magnetische Durchflutung und nicht auf den elektrischen Strom bezieht.

1 Oe = 1 A / m

Magnetischer Fluss (f) und magnetische Flussdichte (B)

Neben der Spulenlänge hat auch deren Durchmesser einen Einfluss auf das Magnetfeld, was erzeugt wird, wenn der gewendelte Leiter mit einem Strom durchflossen wird. Je größer der Querschnitt ist, umso mehr verteilen sich die magnetischen Feldlinien über diese Fläche. Die Summe aller magnetischen Feldlinien pro Flächeneinheit wird als magnetischer Fluss (f) bezeichnet.

Per Definition ist die Einheit des magnetischen Flusses die Voltsekunde (Vs) bzw. nach dem deutschen Physiker Wilhelm Eduard Weber das Weber (Wb). In der gängigen Literatur findet man als einfache Definition für den magnetischen Fluss auch, dass es sich um die Anzahl der Feldlinien handelt, die beim Abschalten des Feldes in einem Leiter eine Sekunde lang eine Spannung von einem Volt induzieren. Dies sei an dieser Stelle zunächst so in den Raum gestellt. Das Thema der Induktion ist an dieser Stelle noch nicht behandelt worden. Darauf wird in einem folgenden Beitrag, die die Themen Induktion, Generator- und Motorprinzip beleuchten wird, im Detail eingegangen.

Man kann sich den magnetischen Fluss auch bildlich als einen Wasserfluss vorstellen: Die Annahme sei, dass die Wassermenge stets konstant bleibt. Betrachtet man nun diesen Wasserfluss in Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern, so wird der Fluss in einem Rohr mit einem kleinen Durchmesser intensiver erscheinen. In einem Rohr mit einem großen Durchmesser wird das Wasser dagegen eher vor sich hin rieseln. Je dünner der Querschnitt des Rohres, umso mehr füllt das Wasser das Rohr aus. Ähnlich sieht es beim magnetischen Fluss aus. Auch hier verteilen sich die Feldlinien in einem großen Querschnitt, so dass auf eine einzelne Flächeneinheit nur ein relativ kleiner Anteil entfällt. In einer Spule mit kleinem Querschnitt liegen die Feldlinien dichter beieinander. Das bedeutet, dass diese einem vergleichbaren Flächenausschnitt eine wesentlich höhere Anzahl von Feldlinien durchdringen würde. Die magnetische Flussdichte (B) ist also bei kleinen Querschnitten größer als bei sehr großflächigen Spulen (ansonsten gleiche Bedingungen wie Stromstärke und Windungszahl vorausgesetzt). Es gilt:

B = f / A

Die Einheit der magnetischen Flussdichte ist das Tesla (T), benannt nach dem kroatischen Physiker Nicola Tesla. Das Tesla ist definiert aus einer Voltsekunde pro Quadratmeter

1T = 1Vs/m2

Spule mit Kern

Die betrachtete Spule soll nun einen Kern aus Eisen enthalten. Das bedeutet, dass der von der Spule umschlossene Raum nicht mehr mit Luft, sondern mit dem magnetischen Werkstoff Eisen ausgefüllt ist. Die Eigenschaften eines magnetischen Werkstoffes wurden im Beitrag „Magnete und magnetisches Feld“ bereits grob beschrieben. Die Elementarmagnete innerhalb des Eisens richten sich nach dem auf sie wirkenden Magnetfeld der Spule aus. Es entsteht ein Effekt der Verstärkung, weil das Eisen in diesem Augenblick selbst zu einem Magneten wird. Wie bereits ausgeführt, hält dieser magnetische Zustand je nach dem Werkstoff auch dann noch an, wenn das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird. Das Fortbestehen des Magnetismus wird als Remanenz bezeichnet.

Magnetische Permeabilität / magnetische Leitfähigkeit

Die Wirkung des Kerns auf das Magnetfeld ist also vom Material abhängig. Man spricht auch von der magnetischen Leitfähigkeit oder von der magnetischen Permeabilität m. Sie beschreibt den Zusammenhang von magnetischer Feldstärke (H) und magnetischer Flussdichte (B):

B = m * H

Die magnetische Permeabilität eines Werkstoffes wird als das Produkt magnetischen Feldkonstanten (m0) und der relativen Permeabilität (mr) definiert.

m = m0 * mr

Die magnetische Feldkonstante für das Vakuum ist 1. Für Luft beträgt der Wert annähernd 1. Somit kann idealisiert für das Vakuum und Luft angenommen werden:

m = m0

Die magnetische Feldkonstante (m0) ist eine Naturkonstante. Ihr Wert ist

m0 = 1,257 * 10-6 Vs/Am

Die magnetische Permeabilität wird entsprechend ohne Einheit definiert. Eine exakte Klassifizierung dieser Konstanten vorzunehmen, ist allerdings nicht möglich. Einerseits hängt der Wert von der Reinheit des Werkstoffes ab, andererseits ist der Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte und magnetischer Feldstärke, der durch die Permeabilität beschrieben wird, nicht linear. In der gängigen Literatur findet man deswegen für die Materialien lediglich einen – meist sehr breit definierten – Wertebereich. Der Wert für Eisen wird beispielsweise in einem Wertebereich von mr = 300 bis 10.000 angegeben!

Klassifizierung magnetischer Werkstoffe

Anhand der magnetischen Feldkonstanten kann man Werkstoffe nach ihren magnetischen Eigenschaften klassifizieren. Werkstoffe, deren magnetische Feldkonstante kleiner als Eins ist, werden als diamagnetische Werkstoffe bezeichnet. Sie hemmen also das Magnetfeld.

Werkstoffe, deren Feldkonstante gleich Eins oder etwas größer als Eins ist, werden als paramagnetische Werkstoffe bezeichnet. Sie hemmen zwar das magnetische Feld nicht, tragen aber auch nicht wesentlich zu dessen Verstärkung bei.

Echte magnetische Eigenschaften haben die so genannten ferromagnetischen Werkstoffe. Ihre Feldkonstante liegt deutlich über Eins.

Spulenkern – Schlüsselelement der Spule

Ein Kern mit hoher Permeabilität ist Voraussetzung für den Bau kraftvoller Elektromotoren und Elektrogeneratoren. Diese Geräte verkörpern den praktischen Einsatz der Spule. Auch in Transformatoren kommen Spulen mit einem Kern zum Einsatz. Um jedoch den in diesen Fällen unerwünschten Effekt der Wirbelstrombildung zu vermeiden, werden die Kerne in der Form geschichteter Pakete aus dünnen Blechen gestaltet. Diese sind elektrisch untereinander isoliert. Auf den magnetischen Fluss hat dies jedoch keinen Einfluss.

Ein weiteres Problem, was durch Auswahl geeigneten Materials zu lösen ist, entsteht durch die raschen Polwechsel des magnetischen Feldes in einem Motor, Generator und Transformator. Material mit hoher Remanenz, also sehr hartmagnetische Werkstoffe sind ungeeignet, weil der Energieaufwand für die Ummagnetisierung zu hoch und damit der Wirkungsgradverlust zu groß wäre.

 

(rs/02-2012)

Der Strom durchflossene Leiter als Magnet

Bestimmte Werkstoffe, wie Eisen, Nickel und Kobalt haben magnetische Eigenschaften. Nun sei behauptet, dass dies auch für andere Metalle wie Kupfer und Aluminium etc. gilt, wenn diese Materialien mit einem elektrischen Strom durchflossen werden. Da das Metall als solches nicht magnetisch ist, muss die magnetische Kraft eines Strom durchflossenen Leiters also durch dessen elektrisches Feld begründet sein. Diese Begriffe seien zunächst einmal frei in den Raum gestellt. Ebenso der Hinweis, dass hier auch Grundlagen der Funkübertragungstechnik gegeben sind, die allerdings nicht Thema dieses Beitrages sein sollen.

Ein Experiment

Folgende Bauteile werden benötigt:

  • Eine Flachbatterie 4,5 V

  • Ein Laborwiderstand 8,2 W, Achtung: Der Widerstand muss mit mindestens 3 W belastbar sein!

  • Ein Strommesser (Amperemeter) im Messbereich von 1 A

  • Ein regelbarer Widerstand bis 10 W, Achtung: Auch dessen Belastbarkeit sollte im Bereich größer 3 W liegen!

  • Ein Ausschalter

  • verschiedene Laborkabel mit Krokodilklemmen zur Herstellung des Stromkreises

  • ein Kompass

Bei diesem Experiment ist zu beachten, dass die Batterie im Extremfall mit hohen Strömen (ca. 600 mA) belastet wird. Die Dimensionierung mit den vergleichsweise hohen Stromstärken ist erforderlich, um ein ausreichend großes Magnetfeld zu erzeugen, wie später noch rechnerisch nachvollziehbar sein wird. Der Stromkreis sollte deswegen nur für die Zeit des Experimentes und der Messung geschlossen werden. Darüber hinaus können an den Widerständen hohe Temperaturen (!!) entstehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn Bauteile verwendet werden, die keine ausreichende Belastbarkeit bieten. Der Stromkreis wird vom Pluspol der Batterie zum Vorwiderstand (RV), über das „Amperemeter“ hin zum Messkabel und von dort zum Potentiometer (veränderlicher Widerstand) über den Ausschalter zurück zur Batterie geschaltet. Die Reihenfolge ist allerdings variabel. Wichtig ist, dass insbesondere die den Strom begrenzenden Widerstände vorhanden sind, um eine Überlastung der Batterie zu vermeiden.

Die Kompassnadel wird in der unmittelbaren Nähe des Messdrahtes platziert. Das Messkabel sollte senkrecht – von oben nach unten angeordnet werden.

Wird der Strom nun eingeschaltet, schlägt die Kompassnadel aus. Mit dem regelbaren Widerstand lässt sich nun die Stärke des Stromes im Messkabel verändern. Je größer der fließende Strom ist, umso stärker ist die Reaktion der Kompassnadel (siehe Hinweis oben zur möglichen hohen Stromstärke).

Ein einfacher Schaltkreis, durch den ein vergleichsweise großer elektrischer Strom fließen soll, belegt die Präsenz eines magnetischen Feldes um den Leiter herum, wenn dieses eine Kompassnadel zum Ausschlagen bringt.
Ein einfacher Schaltkreis, durch den ein vergleichsweise großer elektrischer Strom fließen soll, belegt die Präsenz eines magnetischen Feldes um den Leiter herum, wenn dieses eine Kompassnadel zum Ausschlagen bringt.

Schraubenregel

Das Experiment soll wiederholt werden, wobei diesmal jedoch die Pole der Batterie vertauscht werden. Im Übrigen bleibt alles unverändert. Wichtig ist wieder die Beobachtung der Kompassnadel und hier speziell die Richtung des Ausschlags. Nach dem Wechsel der Batteriepole wird die Nadel zwar wieder – je nach Stärke des Stroms – mehr oder weniger schnell ausschlagen, jedoch diesmal in die andere Richtung.

Der mit einem Strom durchflossene Leiter verursacht also ein Magnetfeld, dessen Polrichtung von der Richtung des Stromes abhängig ist. Per Definition nimmt man an, die Richtung der magnetischen Feldlinien verlaufen (außerhalb eines Magneten) vom Nordpol zum Südpol. Die (technische) elektrische Stromrichtung ist vom Plus- zum Minuspol der Quelle definiert.

Als eine „Eselsbrücke“ haben Techniker die so genannte Schraubenregel definiert. Um eine Schraube in ein Gewinde hinein zu drehen, wird sie im Uhrzeigersinn, also rechts herum gedreht. Damit bewegt sie sich immer weiter in das Gewinde hinein. Nimmt man an, dass die Richtung in das Gewinde hinein (nach vorn) der Stromrichtung innerhalb des Leiters und die Drehrichtung der Schraube die des magnetischen Feldes entspricht, so kann man sich den Zusammenhang zwischen Stromrichtung und Drehrichtung des Magnetfeldes sehr einfach merken: Die Richtung des (konzentrischen!) Magnetfeldes um einen Strom durchflossenen Leiters ist in Blickrichtung des Stromes im Uhrzeigersinn zu betrachten.

Zeichnerisch beschreibt man die Stromrichtung als würde man direkt auf die Enden eines Pfeiles blicken: Schaut man dem davonfliegenden Pfeil hinterher, so sieht man das
Zeichnerisch beschreibt man die Stromrichtung als würde man direkt auf die Enden eines Pfeiles blicken: Schaut man dem davonfliegenden Pfeil hinterher, so sieht man das "Kreuz" der Leitfedern. Blickt man dem anfliegenden Pfeil entgegen, so Symbolisiert der Punkt die Pfeilspitze.

Mathematische Zusammenhänge siehe Beitrag „Magnetfeld einer Spule“.

(rs/02-2012)

Magnete und magnetisches Feld

Der Begriff „Magnet“ kommt aus dem Griechischen. Es gibt allerdings verschiedene Überlieferungen zu dessen Bedeutung: Eine dieser Überlieferungen behauptet, der Begriff leite sich von der Stadt Magnesia ab, in deren Nähe magnetisches Eisenerz gefunden wurde. Eine andere Deutung geht auf die Geschichte eines Schafhirten mit dem Namen „Magnetes“ zurück.

Magnete sind jedermann bestens bekannt und gehören zu den täglichen Dingen des Haushaltes, ganz egal, ob „versteckt“ in zahlreichen Geräten oder beispielsweise direkt genutzt als „Kühlschrankmagneten“, mit denen auf Papier verfasste Notizen auf Eisenbleche befestigt werden können, ohne die Oberfläche zu beschädigen. Jedem bekannt ist natürlich die Kompassnadel, die sich nach der Richtung der magnetischen Feldlinien der Erde ausrichtet. Kühlschrankmagneten zeigen sehr gut die Besonderheit des Magneten: Sie haften nicht überall, sondern nur an Eisen- und Stahloberflächen.

Magnetische Werkstoffe

Es gibt also Werkstoffe, die magnetische Eigenschaften haben und solche, die als nichtmagnetisch einzustufen sind. Der wichtigste magnetische Werkstoff ist Eisen (sowohl Gusseisen als auch Stahl). Es gibt jedoch auch Nicht-Eisen-Werkstoffe mit magnetischen Eigenschaften. Dazu gehören Nickel und Kobalt. Diese werden als ferromagnetische Werkstoffe bezeichnet. Ferromagnetisch bedeutet: magnetisch wie Eisen. Darüber hinaus gibt es spezielle Eisenlegierungen, die herausragende magnetische Eigenschaften bieten wie beispielsweise Samarium-Cobalt-Legierungen und Neodym-Eisen-Bor-Legierungen. Samarium und Neodym zählen zu den Seltenerd-Metallen bzw. (gebräuchlicher im Sprachgebrauch) zu den seltenen Erden.

Grundsätzlich muss man sich einen Magneten bildlich wie die Ansammlung kleiner Einzelmagneten, den so genannten Elementarmagneten, vorstellen. Bei einem magnetischen Werkstoff, also einem Stoff, der magnetische Kräfte besitzt, ist eine große Zahl dieser Elementarmagnete in die gleiche Richtung angeordnet. Je mehr dieser Elementarmagnete in die gleiche Richtung wirken, umso stärker ist die magnetische Feldstärke.

Hart- und weichmagnetische Stoffe

Es ist möglich, die Elementarmagneten zu ordnen. Man bezeichnet dies als Magnetisieren. Dies kann durch äußere Einflüsse mit einem ausreichend starken Magnetfeld oder in einem elektrischen Feld geschehen. Bleibt man beim Sinnbild der Elementarmagnete, also der abstrakten Vorstellung, ein Magnet würde aus zig Minimagneten zusammen gesetzt sein, dann wird deutlich, dass irgendwann einmal alle Elementarmagnete die gleiche Ausrichtung erreichen werden, wenn der Magnetisierungsprozess entsprechend stark ist und entsprechend lange anhält. Man spricht von der magnetischen Sättigung des Werkstoffes.

Beendet man den äußeren Einfluss auf den magnetischen Werkstoff, so haben die Elementarmagnete die Tendenz, wieder in einen ungeordneten Zustand zurück zu kehren. Der Werkstoff verliert also seine magnetische Kraft. Allerdings ist dieser Effekt nicht allgemein gültig, denn je nach dem verwendetem Werkstoff ist diese „Tendenz zum Chaos“ mehr oder weniger stark ausgeprägt. Es gibt Werkstoffe, die sehr schnell und nahezu vollständig ihren Magnetismus verlieren. Derartige Materialien werden als weichmagnetische Werkstoffe bezeichnet. Sie werden beispielsweise für die Herstellung von Trafoblechen verwendet. Dem gegenüber stehen Werkstoffe, die – einmal magnetisiert – ein sehr beständiges magnetisches Feld bewahren. Ihre Elementarmagneten fallen nicht bzw. nur sehr langsam in den unstrukturierten Zustand zurück. Solche hartmagnetischen Werkstoffe sind die Basis für Dauermagnete (Permanent-Magnete).

Einen Magneten kann man sich als Anordnung extrem vieler kleiner Elementarmagneten vorstellen, die in gleicher Richtung angeordnet sind.
Einen Magneten kann man sich als Anordnung extrem vieler kleiner Elementarmagneten vorstellen, die in gleicher Richtung angeordnet sind.

Entmagnetisierung

Die magnetischen Eigenschaften eines Werkstoffes lassen nach, wenn dieser starker Hitze ausgesetzt ist. Glühendes Eisen kann beispielsweise als vollkommen entmagnetisiert angesehen werden. Der thermische Effekt auf den Magnetismus eines Materials kann allerdings auch unerwünscht sein, wenn magnetische Datenträger (Disketten, Festplatten) in einem Fahrzeug aufbewahrt werden, das an einem Sonnentag an exponierter Stelle geparkt wird. Dies kann zur Zerstörung des Datenträgers und damit zum Verlust der Informationen führen.

Magnetische Stoffe verlieren ihre Eigenschaften aber auch bei starken Erschütterungen. So können Hammerschläge auf Eisen die Ausrichtung der Elementarmagnete durcheinander bringen und damit das magnetische Feld verkleinern. Nicht zuletzt ist eine allmähliche Entmagnetisierung im Laufe der Zeit festzustellen, die allerdings bei hartmagnetischen Werkstoffen sehr lange bemessen ist. Eine Entmagnetisierung kann auch durch den Einfluss eines entgegengesetzten Feldes erfolgen.

Magnetisches Feld

In den ersten Beispielen wurde bereits erwähnt: Ein Magnet zieht Eisen und (oder unter bestimmten Voraussetzungen, dazu gleich mehr) einen anderen Magneten an. Ein Magnet übt also eine Kraft auf einen anderen Stoff mit magnetischen Eigenschaften aus. Es stellen sich also die folgenden Fragen:

  • Wo greift die magnetische Kraft an bzw. wo ist ihr Ursprung?

  • In welche Richtung wirkt die magnetische Kraft?

In einer sehr groben Sichtweise scheint der Ursprung der Kraft des Magneten (z.B.: der Stabmagnet) dessen Mittelpunkt sein und es scheint, als wirke dessen Kraft senkrecht zu seinen Polen. Dem ist allerdings nicht so! Umrundet man ein Stabmagnet langsam und in einigem Abstand mit einer Kompassnadel, so wird man beobachten, dass sich deren Ausrichtung verändert.

Die magnetischen Feldlinien treten am Nordpol aus und dringen am Südpol wieder in den Magneten ein. Doch Vorsicht! Magnetfelder sind konzentrische Felder und kennen keine Quelle und keine Senke. Das magnetische Feld verläuft auch innerhalb des Magneten.
Die magnetischen Feldlinien treten am Nordpol aus und dringen am Südpol wieder in den Magneten ein. Doch Vorsicht! Magnetfelder sind konzentrische Felder und kennen keine Quelle und keine Senke. Das magnetische Feld verläuft auch innerhalb des Magneten.

Noch deutlicher ist ein beliebtes Schulexperiment mit Eisenfeilspänen: Unter eine Glasplatte oder einem Stück Karton wird ein Magnet gelegt. Auf die Glasplatte bzw. den Karton werden in einer dünnen Schicht Eisenfeilspäne in einem gewissen Umkreis des Magneten verstreut. Leichtes Rütteln an der Glasplatte verstärkt den optischen Effekt: Die Eisenfeilspäne richten sich aus und es entsteht ein geordnetes Bild scheinbar endlich vieler Kraftlinien.

Die scheinbar endliche Struktur ist durch die Abmessungen der Späne zu begründen. In Wirklichkeit tendiert die Zahl dieser „Kraftlinien“ gegen unendlich. Sie erstrecken sich auf den gesamten Raum um den Magneten herum. Den Bereich, in dem diese magnetischen Kräfte wirken, bezeichnet man als das magnetische Feld. Entsprechend spricht man auch von Feldlinien.

Anziehung und Abstoßung

Eingangs wurde behauptet, ein Magnet ziehe nur unter bestimmten Voraussetzungen ein anderes Magnet an, das ja allein per Definition ein magnetischer Werkstoff ist und deswegen selbstverständlich – wäre es unmagnetisiert, also die Elementarmagnete in Unordnung – sofort von einem beliebigen Magneten angezogen werden würde. Ist der Stoff magnetisiert, dessen Elementarmagnete also ausgerichtet, dann hängt es davon ab, welche Seite des Gegenstandes dem Magneten gegenüber steht. Eine Kompassnadel zeigt es sehr deutlich: Führt man eine Kompassnadel an eine Seite eines Magneten, dann richtet sie sich grundsätzlich mit einer bestimmten Seite zu diesem Magneten aus. Führt man die Nadel an die andere Seite des Magneten, dann wird sie sich mit der gegenüberliegenden Seite zum Magneten orientieren.

Unterschiedliche magnetische Polaritäten ziehen einander an. Berühren sich die Magneten, so wirken sie gemeinsam wie ein großes Magnet und zeigen sich nach außen an der Verbindungsstelle magnetisch neutral.
Unterschiedliche magnetische Polaritäten ziehen einander an. Berühren sich die Magneten, so wirken sie gemeinsam wie ein großes Magnet und zeigen sich nach außen an der Verbindungsstelle magnetisch neutral.

Zwei Magnete, die aufeinander treffen, werden sich also entweder anziehen oder abstoßen. Was passiert, hängt davon ab, welche Seiten der Magneten einander zugewandt sind. Betrachtet man nun wieder das Bild der Eisenfeilspäne, dann erkennt man, dass die Feldlinien den Magneten an einem Ende verlassen und am anderen Ende wieder in diesem einlaufen. Diese Enden werden als die magnetische Pole bezeichnet, die nach den (magnetischen) Polen der Erde mit Nord- und Südpol bezeichnet werden.

Die Kräfte an den magnetischen Polen bewirken eine Abstoßung, wenn zwei gleichartige Pole aufeinander treffen. Sie bewirken eine Anziehung, wenn unterschiedliche Pole einander begegnen. Dieses Prinzip von Anziehung und Abstoßung machen sich elektrische Motoren zunutze.

Gleiche magnetische Polaritäten stoßen einander ab.
Gleiche magnetische Polaritäten stoßen einander ab.

(rs/02-2012)