Woraus bestehen Magnete?

Inhalt

• TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
• Magnete und Magnetismus definieren
• Arten von Magneten
• Permanentmagnete
• Temporäre Magnete
• Elektromagnete
• Der größte Magnet der Welt

Magnete wirken mysteriös. Unsichtbare Kräfte ziehen magnetische Materialien zusammen oder drücken sie mit einem Magneten auseinander. Je stärker die Magnete sind, desto stärker ist die Anziehung oder Abstoßung. Und natürlich ist die Erde selbst ein Magnet. Während einige Magnete aus Stahl bestehen, gibt es andere Arten von Magneten.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Magnetit ist ein natürliches magnetisches Mineral. Der sich drehende Erdkern erzeugt ein Magnetfeld. Alnico-Magnete bestehen aus Aluminium, Nickel und Kobalt, kleinere Mengen aus Aluminium, Kupfer und Titan. Keramik- oder Ferritmagnete bestehen entweder aus Bariumoxid oder aus mit Eisenoxid legiertem Strontiumoxid. Zwei Seltenerdmagnete sind Samariumkobalt, das eine Legierung aus Samariumkobalt mit Spurenelementen (Eisen, Kupfer, Zirkon) und Neodym-Eisen-Bor-Magneten enthält.

Magnete und Magnetismus definieren

Jedes Objekt, das ein Magnetfeld erzeugt und mit anderen Magnetfeldern interagiert, ist ein Magnet. Magnete haben ein positives Ende oder Pol und ein negatives Ende oder Pol. Linien des Magnetfeldes bewegen sich vom positiven Pol (auch Nordpol genannt) zum negativen (Süd-) Pol. Magnetismus bezieht sich auf die Wechselwirkung zwischen zwei Magneten. Gegensätze ziehen sich an, so dass sich der positive Pol eines Magneten und der negative Pol eines anderen Magneten gegenseitig anziehen.

Arten von Magneten

Es gibt drei allgemeine Arten von Magneten: Permanentmagnete, temporäre Magnete und Elektromagnete. Permanentmagnete behalten über lange Zeiträume ihre magnetische Qualität. Temporäre Magnete verlieren schnell ihren Magnetismus. Elektromagnete erzeugen mit elektrischem Strom ein Magnetfeld.

Permanentmagnete

Permanentmagnete behalten ihre magnetischen Eigenschaften für lange Zeiträume. Änderungen bei Permanentmagneten hängen von der Stärke des Magneten und der Magnetzusammensetzung ab. Änderungen erfolgen im Allgemeinen aufgrund von Temperaturänderungen (normalerweise ansteigende Temperatur). Auf ihre Curie-Temperatur erhitzte Magnete verlieren dauerhaft ihre magnetischen Eigenschaften, weil sich die Atome aus der Konfiguration verschieben, die den magnetischen Effekt verursacht. Die Curie-Temperatur, benannt nach dem Entdecker Pierre Curie, variiert je nach magnetischem Material.

Magnetit, ein natürlich vorkommender Permanentmagnet, ist ein schwacher Magnet. Stärkere Permanentmagnete sind Alnico, Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Kobalt sowie Keramik- oder Ferritmagnete. Diese Magnete erfüllen alle die Anforderungen der Permanentmagnetdefinition.

Magnetit

Magnetit, auch Lodestone genannt, lieferte Kompassnadeln von Forschern, die von chinesischen Jadejägern bis zu Weltreisenden reichten. Das Mineral Magnetit entsteht beim Erhitzen von Eisen in sauerstoffarmer Atmosphäre unter Bildung der Eisenoxidverbindung Fe₃O₄. Magnetitsplitter dienen als Kompasse. Die Kompasse stammen aus der Zeit um 250 v. in China, wo sie als Südzeiger bezeichnet wurden.

Alnico-Legierungs-Magneten

Alnico-Magnete sind üblicherweise verwendete Magnete aus einer Verbindung von 35 Prozent Aluminium (Al), 35 Prozent Nickel (Ni) und 15 Prozent Kobalt (Co) mit 7 Prozent Aluminium (Al), 4 Prozent Kupfer (Cu) und 4 Prozent Titan ( Ti). Diese Magnete wurden in den 1930er Jahren entwickelt und wurden in den 1940er Jahren populär. Die Temperatur hat weniger Einfluss auf Alnico-Magnete als andere künstlich hergestellte Magnete. Alnico-Magnete können jedoch leichter entmagnetisiert werden. Daher müssen Alnico-Stab- und Hufeisenmagnete ordnungsgemäß gelagert werden, damit sie nicht entmagnetisiert werden.

Alnico-Magnete werden auf vielfältige Weise eingesetzt, insbesondere in Audiosystemen wie Lautsprechern und Mikrofonen. Zu den Vorteilen von Alnico-Magneten zählen eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe physikalische Festigkeit (nicht splittern, reißen oder brechen) und eine hohe Temperaturbeständigkeit (bis zu 540 Grad Celsius). Zu den Nachteilen gehört ein geringerer magnetischer Zug als bei anderen künstlichen Magneten.

Keramik (Ferrit) Magnete

In den 1950er Jahren wurde eine neue Gruppe von Magneten entwickelt. Harte hexagonale Ferrite, auch Keramikmagnete genannt, können in dünnere Scheiben geschnitten und geringen Entmagnetisierungsfeldern ausgesetzt werden, ohne ihre magnetischen Eigenschaften zu verlieren. Sie sind auch billig zu machen. Die molekulare hexagonale Ferritstruktur tritt sowohl in mit Eisenoxid legiertem Bariumoxid (BaO O 6Fe) auf₂O₃) und mit Eisenoxid legiertes Strontiumoxid (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Das Strontium (Sr) ferrit hat etwas bessere magnetische Eigenschaften. Die am häufigsten verwendeten Permanentmagnete sind Ferritmagnete (Keramikmagnete). Neben den Kosten umfassen die Vorteile von Keramikmagneten eine gute Entmagnetisierungsbeständigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Sie sind jedoch spröde und brechen leicht.

Samarium-Kobalt-Magnete

Samarium-Kobalt-Magnete wurden 1967 entwickelt. Diese Magnete haben eine molekulare Zusammensetzung von SmCo₅wurde der erste kommerzielle Seltenerd- und Übergangsmetall-Permanentmagnet. 1976 wurde eine Legierung aus Samariumkobalt mit Spurenelementen (Eisen, Kupfer und Zirkon) mit einer Molekülstruktur von Sm entwickelt₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Diese Magnete haben ein großes Potenzial für die Verwendung bei Anwendungen mit höheren Temperaturen, bis zu etwa 500 ° C, aber die hohen Materialkosten schränken die Verwendung dieses Magnettyps ein. Samarium ist selbst unter den Seltenerdelementen selten, und Kobalt wird als strategisches Metall eingestuft, sodass die Versorgung kontrolliert wird.

Samarium-Kobalt-Magnete eignen sich gut für feuchte Umgebungen. Weitere Vorteile sind hohe Hitzebeständigkeit, Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen (-273 ° C) und hohe Korrosionsbeständigkeit. Wie Keramikmagnete sind Samarium-Kobalt-Magnete jedoch spröde. Sie sind, wie gesagt, teurer.

Neodym-Eisen-Bor-Magneten

Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB oder NIB) wurden 1983 erfunden. Diese Magnete enthalten 70 Prozent Eisen, 5 Prozent Bor und 25 Prozent Neodym, ein Seltenerdelement. NIB-Magnete korrodieren schnell, sodass sie während des Produktionsprozesses eine Schutzbeschichtung, normalerweise Nickel, erhalten. Anstelle von Nickel können auch Beschichtungen aus Aluminium, Zink oder Epoxidharz verwendet werden.

Obwohl NIB-Magnete die stärksten bekannten Permanentmagnete sind, haben sie auch die niedrigste Curie-Temperatur von anderen Permanentmagneten, etwa 350 ° C (einige Quellen sagen so niedrig wie 80 ° C). Diese niedrige Curie-Temperatur schränkt ihre industrielle Verwendung ein. Neodym-Eisen-Bor-Magnete sind zu einem wesentlichen Bestandteil der Haushaltselektronik einschließlich Mobiltelefonen und Computern geworden. Neodym-Eisen-Bor-Magnete werden auch in Magnetresonanztomographen (MRT) eingesetzt.

Zu den Vorteilen von NIB-Magneten zählen das Leistungsgewicht (bis zu 1.300-fach), die hohe Entmagnetisierungsbeständigkeit bei für den Menschen angenehmen Temperaturen und die Wirtschaftlichkeit. Zu den Nachteilen zählen der Verlust des Magnetismus bei niedrigeren Curie-Temperaturen, eine geringe Korrosionsbeständigkeit (wenn die Beschichtung beschädigt ist) und Sprödigkeit (kann bei plötzlichen Kollisionen mit anderen Magneten oder Metallen brechen, reißen oder abplatzen) .)

Temporäre Magnete

Temporäre Magnete bestehen aus sogenannten Weicheisenmaterialien. Weicheisen bedeutet, dass sich die Atome und Elektronen innerhalb des Eisens ausrichten können und sich eine Zeit lang wie ein Magnet verhalten. Die Liste der magnetischen Metalle umfasst Nägel, Büroklammern und andere eisenhaltige Materialien. Temporäre Magnete werden zu Magneten, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt oder darin platziert werden. Beispielsweise wird eine von einem Magneten geriebene Nadel zu einem temporären Magneten, da der Magnet bewirkt, dass sich die Elektronen innerhalb der Nadel ausrichten. Wenn das Magnetfeld oder die Einwirkung des Magneten stark genug ist, können weiche Eisen zu Permanentmagneten werden, zumindest bis Hitze, Schock oder Zeit dazu führen, dass die Atome ihre Ausrichtung verlieren.

Elektromagnete

Die dritte Art von Magneten tritt auf, wenn Elektrizität durch einen Draht fließt. Das Wickeln des Drahtes um einen Weicheisenkern verstärkt die Stärke des Magnetfeldes. Durch Erhöhen der Elektrizität wird die Stärke des Magnetfelds erhöht. Wenn Strom durch den Draht fließt, arbeitet der Magnet. Stoppen Sie den Elektronenfluss und das Magnetfeld bricht zusammen. (Siehe Ressourcen für eine PhET-Simulation des Elektromagnetismus.)

Der größte Magnet der Welt

Der größte Magnet der Welt ist in der Tat die Erde. Der feste Eisen-Nickel-Innenkern der Erde, der sich im flüssigen Eisen-Nickel-Außenkern dreht, verhält sich wie ein Dynamo und erzeugt ein Magnetfeld. Das schwache Magnetfeld wirkt wie ein Stabmagnet, der um etwa 11 Grad von der Erdachse geneigt ist. Das Nordende dieses Magnetfeldes ist der Südpol des Stabmagneten. Da sich gegensätzliche Magnetfelder anziehen, zeigt das nördliche Ende eines Magnetkompasses auf das südliche Ende des Erdmagnetfelds in der Nähe des Nordpols (anders ausgedrückt, der Erdsüdmagnetpol befindet sich tatsächlich in der Nähe des geografischen Nordpols) (obwohl Sie oft den Südmagnetpol sehen, der als Nordmagnetpol bezeichnet wird).

Das Erdmagnetfeld erzeugt die Magnetosphäre, die die Erde umgibt. Durch die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der Magnetosphäre entstehen die Nord- und Südlichter Aurora Borealis und Aurora Australis.

Das Erdmagnetfeld beeinflusst auch die Eisenmineralien in Lavaströmen. Die Eisenmineralien in der Lava richten sich nach dem Erdmagnetfeld. Diese ausgerichteten Mineralien "gefrieren" an ihrem Platz, wenn die Lava abkühlt. Untersuchungen der magnetischen Ausrichtung in Basaltströmungen auf beiden Seiten des mittelatlantischen Rückens liefern Beweise nicht nur für Umkehrungen des Erdmagnetfelds, sondern auch für die Theorie der Plattentektonik.