Wie funktioniert ein Magnet?

Magnete gehören zu den außergewöhnlichsten Materialien, die dem Menschen bekannt sind. Obwohl fast jeder schon einmal einen Magneten in der Hand gehalten hat, wissen nur wenige Menschen, was genau passiert, wenn ein Magnet einen Metallgegenstand anzieht oder warum zwei Magnete sich manchmal abstoßen.

Magnetismus ist ein Naturphänomen, das schon seit Tausenden von Jahren bekannt ist. Dennoch spielt er heute eine größere Rolle als je zuvor. Ohne Magnete könnten moderne Technologien wie Elektromotoren, Lautsprecher, Windturbinen, MRT-Scanner, Computer und Elektrofahrzeuge nicht funktionieren.

Um zu verstehen, wie ein Magnet funktioniert, müssen wir uns zunächst das unsichtbare Phänomen ansehen, das jeden Magneten umgibt: das Magnetfeld.

Das Magnetfeld

Um jeden Magneten befindet sich ein Magnetfeld. Dieses Feld ist für das menschliche Auge unsichtbar, kann aber mithilfe von Eisenfeilspänen oder speziellen Messgeräten nachgewiesen werden.

Wenn Eisenfeilspäne um einen Magneten gestreut werden, bilden die kleinen Metallpartikel deutliche Muster. Diese Muster folgen den sogenannten magnetischen Feldlinien. Sie zeigen, wie sich das Magnetfeld um den Magneten ausbreitet.

Das Magnetfeld ist an den Enden des Magneten am stärksten. Diese Enden werden Pole genannt.

Nordpol und Südpol

Jeder Magnet hat zwei Pole:

• einen Nordpol
• einen Südpol

Diese Pole können nicht voneinander getrennt werden. Selbst wenn ein Magnet in der Mitte zerbricht, entstehen zwei neue Magnete, die wiederum einen Nord- und einen Südpol besitzen.

Eine der grundlegenden Eigenschaften des Magnetismus ist, dass gleiche Pole sich abstoßen, während entgegengesetzte Pole sich anziehen.

Werden zwei Nordpole einander angenähert, entsteht eine abstoßende Kraft. Werden ein Nordpol und ein Südpol gegenüberliegend platziert, ziehen sie sich gegenseitig an.

Dieses Prinzip bildet die Grundlage für fast alle Anwendungen des Magnetismus.

Warum sind manche Materialien magnetisch?

Nicht alle Materialien reagieren auf einen Magneten.

Materialien wie Holz, Glas, Kunststoff und Aluminium werden kaum von Magnetfeldern beeinflusst. Eisen, Nickel und Kobalt hingegen reagieren sehr stark auf Magnete.

Dieser Unterschied entsteht durch die Art und Weise, wie sich Elektronen innerhalb eines Materials verhalten.

Elektronen bewegen sich ständig um den Atomkern und besitzen dabei eine kleine magnetische Eigenschaft. In den meisten Materialien zeigen diese winzigen Magnetfelder zufällig in alle Richtungen, wodurch sie sich gegenseitig aufheben.

In ferromagnetischen Materialien wie Eisen können sich jedoch große Atomgruppen in die gleiche Richtung ausrichten. Dadurch entsteht ein messbarer magnetischer Effekt.

Magnetische Domänen

In einem Stück Eisen befinden sich Milliarden kleiner Bereiche, die als magnetische Domänen bezeichnet werden.

Innerhalb jeder Domäne zeigen die magnetischen Eigenschaften der Atome größtenteils in die gleiche Richtung.

In einem unmagnetisierten Stück Eisen zeigen diese Domänen jedoch zufällig in verschiedene Richtungen. Dadurch heben sie sich größtenteils auf und das Material erscheint nicht magnetisch.

Wird ein starkes Magnetfeld angelegt, können sich viele dieser Domänen in die gleiche Richtung ausrichten. In diesem Moment entsteht ein magnetisches Material.

Bei Permanentmagneten bleibt ein großer Teil dieser Ausrichtung erhalten, selbst nachdem das externe Magnetfeld verschwunden ist.

Permanentmagnete und Elektromagnete

Nicht alle Magnete funktionieren auf die gleiche Weise.

Permanentmagnete behalten ihre magnetischen Eigenschaften, ohne dass dafür Energie benötigt wird. Neodymmagnete, Ferritmagnete und AlNiCo-Magnete sind Beispiele für Permanentmagnete.

Elektromagnete funktionieren anders. Dabei wird ein elektrischer Strom durch eine Spule geleitet. Solange Strom fließt, entsteht ein Magnetfeld. Sobald der Strom ausgeschaltet wird, verschwindet der magnetische Effekt größtenteils.

Elektromagnete werden häufig in Motoren, Relais, Lautsprechern und Industriemaschinen eingesetzt.

Warum sind Neodymmagnete so stark?

Neodymmagnete gehören zu den stärksten Permanentmagneten, die kommerziell erhältlich sind.

Diese Magnete bestehen aus einer Legierung von Neodym, Eisen und Bor. Durch ihre besondere Kristallstruktur können sie eine außergewöhnlich große Menge an magnetischer Energie speichern.

Dadurch kann ein relativ kleiner Neodymmagnet die gleiche Kraft liefern wie ein viel größerer traditioneller Magnet.

Dies erklärt, warum moderne Geräte immer kleiner werden können, während ihre Leistung weiter zunimmt.

Das Magnetfeld nimmt mit der Entfernung ab

Eine wichtige Eigenschaft von Magnetfeldern ist, dass ihre Stärke mit zunehmender Entfernung schnell abnimmt.

Wenn ein Magnet direkten Kontakt mit einer Stahloberfläche hat, ist die Anziehungskraft maximal. Schon bei wenigen Millimetern Abstand wird der Effekt merklich geringer.

Deshalb spielen Abstand und Kontaktfläche eine wichtige Rolle für die endgültige Haltekraft eines Magneten.

Magnetismus im Alltag

Obwohl viele Menschen Magnete hauptsächlich mit einem Kühlschrankmagneten assoziieren, werden Magnetfelder heute in fast jeder modernen Industrie eingesetzt.

Magnete spielen eine Rolle in:

• Elektrofahrzeugen
• Windturbinen
• Computern
• Smartphones
• Lautsprechern
• Sensoren
• MRT-Scannern
• Produktionsmaschinen
• Robotik

Fast jede Form moderner Technologie nutzt in irgendeiner Weise Magnetismus.

Fazit

Ein Magnet funktioniert, indem er ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld übt Kräfte auf bestimmte Materialien und auf andere Magnete aus. Die Funktionsweise von Magneten basiert auf der Ausrichtung magnetischer Domänen innerhalb eines Materials und der Wechselwirkung zwischen Nord- und Südpolen.

Obwohl Magnetismus für das menschliche Auge unsichtbar ist, bildet er eines der wichtigsten physikalischen Phänomene hinter vielen der Technologien, die täglich verwendet werden. Von einfachen Magnetverschlüssen bis hin zu fortschrittlichen Elektromotoren: Überall spielt Magnetismus eine entscheidende Rolle.