Physikalische Grundlagen

Magnetische Domänen

Das magnetische Moment der Atome in einem ferromagnetischen Material führt dazu, dass sie sich in etwa so verhalten wie kleine Permanentmagneten. Sie haften zusammen und richten sich innerhalb kleiner Bereiche, die als Magnetische Domäne oder auch Weißsche Bezirke bezeichnet werden, mehr oder weniger einheitlich aus.
Enthalten diese Domänen zu viele Atome, werden sie instabil und teilen sich in zwei Domänen, welche sich entgegengesetzt ausrichten und stärker zusammenkleben.

Wird ein ferromagnetisches Material einem magnetischen Feld ausgesetzt, bewegen sich die Domänbindungen so, dass die Domänen, die in Feldrichtung ausgerichtet sind wachsen und die Domänenstruktur dominieren. Wird das äußere Feld wieder entfernt, können die Domänen nicht mehr in den unmagnetischen Zustand zurückkehren. Das Ergebnis ist, dass das ferromagnetische Material magnetisch bleibt und so einen Permanentmagneten bildet.
Wenn das äußere Feld so stark ist, dass die dominierende Domäne alle anderen aufnimmt und so nur noch als einzige im Material verbleibt spricht man davon, dass das Material gesättigt ist.
Erhitzt man ferromagnetische Materialien bis zur Currietemperatur, werden die Atome so angeregt, dass die Domänen ihre Organisation und das Material somit seine magnetischen Eigenschaften verliert.

Kenngrößen

Koerzitivfeldstärke HC

Die Feldstärke, die aufgewendet werden muss, um den Magneten vollständig zu entmagnetisieren (Flussdichte B=0). Schnittpunkt der Hysteresekurve mit der Achse der Feldstärke H. Je größer die Koerzitivfeldstärke, desto größer ist die Beständigkeit des Magneten gegen Entmagnetisierung durch äußere Felder.

Remanenz BR

Die Flussdichte, die ohne äußeres Feld auftritt. Schnittpunkt der Hysteresekurve mit der Achse der Flussdichte B.

Energiedichte BH

Die Energiedichte, auch Energieprodukt oder BH-Produkt, genannte Größe entspricht der maximal im Magneten gespeicherten magnetischen Energie bezogen auf sein Volumen.

Curie-Punkt

Ferromagnetische Materialien verlieren ihre magnetischen Eigenschaften (spontane oder gerichtete Magnetisierung von Kristallbereichen), wenn sie über ihre materialspezifische Curie-Temperatur erhitzt werden. Etwas unterhalb dieser Temperatur erlangen die Werkstoffe wieder ihre magnetischen Eigenschaften zurück, d.h., es zeigt sich auch ohne äußeres Magnetfeld eine spontane Magnetisierug der Weiss-Bezirke.

Dauermagnetmaterialien

Stahl

Mit Stählen wurden früher Dauermagnete erzeugt. Sie sind aber sehr schwach und lassen sich sehr leicht entmagnetisieren.

Ferrite

Ferritmagnete sind kostengünstig, aber relativ schwach. Typische Anwendung sind Haftmagnete und einfache kleine Gleichstrommotoren.

Aluminium-Nickel-Cobalt

Aluminium-Nickel-Cobalt (AlNiCo) sind grundsätzlich Eisenlegierungen mit Al, Ni und Co als Hauptlegierungselemente. Diese Materialien sind bis 500 °C einsetzbar, haben aber eine relativ geringe Energiedichte und Koerzitivfeldstärke. Die Remanenz ist höher als bei den Ferritmagneten. Die Herstellung erfolgt durch Gießen oder pulvermetallurgische Verfahren. Sie haben eine gute Korrosionsbeständigkeit, sind aber zerbrechlich und hart.

Samarium-Cobalt

Samarium-Cobalt (SmCo) ermöglicht starke Dauermagnete mit hoher Energiedichte und hoher Einsatztemperatur. Nachteilig ist der hohe Preis.

Neodym-Eisen-Bor

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ermöglicht sehr starke Magnete zu verhältnismäßig günstigen Kosten. Die Herstellung erfolgt über pulvermetallurgische Verfahren, heute aber vermehrt als kunststoffgebundene Magnete. Lange Zeit waren die Einsatztemperaturen auf 60-120 °C begrenzt. Bei einigen neueren Entwicklungen werden Einsatztemperaturen bis 200 °C angegeben.

Einheiten

Die wichtigsten magnetischen Einheiten