Wie funktionieren Magnete? Pole, Elektronen, Eisen

Magnetismus beruht auf Elektronen, so das National High Magnetic Field Laboratory (das MagLab). Jeder Magnet hat einen Nord- und einen Südpol, ungleichnamige Pole ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab.

1. Was alle Magnete gemeinsam haben

Das MagLab nennt einige Eigenschaften, die alle Magnete teilen:

• Jeder Magnet hat einen Nordpol und einen Südpol.
• Ungleichnamige Pole ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab. Nord zieht Süd an; Nord stößt Nord ab.
• Jeder Magnet ist von einem Magnetfeld umgeben. Per Konvention zeigen die Feldlinien vom Nordpol weg und zum Südpol hin.

Die Erde selbst ist ein riesiger Magnet. Das MagLab erklärt, dass Wissenschaftler glauben, das Magnetfeld der Erde stamme von Konvektionsströmungen im flüssigen äußeren Kern des Planeten, der größtenteils aus Eisen besteht. Das nennt man Geodynamo.

2. Alles beruht auf Elektronen

Laut MagLab beruht jeder Magnetismus auf Elektronen, und zwar auf zwei Arten:

1. Bewegte Elektronen. Ein elektrischer Strom, also ein Fluss von Elektronen durch einen Draht, erzeugt immer ein Magnetfeld. So funktionieren Elektromagnete.
2. Rotierende Elektronen. In Dauermagneten wie dem an deinem Kühlschrank stammt der Magnetismus vom Spin der Elektronen. Jedes Elektron wirkt wie ein winziger Magnet mit eigenem Nord- und Südpol, und seine Achse kann in eine von zwei möglichen Richtungen zeigen.

3. Warum die meisten Dinge nicht magnetisch sind

Wenn jedes Elektron ein winziger Magnet ist, warum ist dann nicht alles magnetisch?

Das MagLab erklärt, dass die Atome in den meisten Materialien so angeordnet sind, dass die magnetische Ausrichtung eines Elektrons die eines anderen aufhebt. All diese winzigen Magnete zeigen in entgegengesetzte Richtungen, und ihre Wirkungen summieren sich zu nichts, was man bemerken könnte.

4. Was Eisen besonders macht: magnetische Domänen

Eisen und einige andere Stoffe sind anders. Ihre Atome gruppieren sich zu kleinen Bereichen, den magnetischen Domänen. In jeder Domäne haben die Elektronen dieselbe magnetische Ausrichtung.

Warum ist dann ein gewöhnlicher Eisennagel kein Magnet? Weil die Domänen selbst in unterschiedliche Richtungen zeigen und sich insgesamt trotzdem aufheben.

Legst du den Nagel in ein Magnetfeld, beginnen sich die Domänen in dieselbe Richtung auszurichten. Das MagLab beschreibt das Ergebnis einfach: Ein Dauermagnet ist ein Objekt, in dem alle Domänen gleich ausgerichtet sind.

Materialien, die sich so verhalten, heißen ferromagnetisch. Das MagLab weist darauf hin, dass nur vier Elemente bei Raumtemperatur ferromagnetisch sind und dauerhaft magnetisiert werden können: Eisen, Nickel, Kobalt und Gadolinium. Ein fünftes, Dysprosium, wird erst bei tiefen Temperaturen ferromagnetisch. Aluminium steht nicht auf dieser Liste, und deshalb rutscht ein Magnet von einer Aluminium-Getränkedose ab. Eine Kühlschranktür dagegen ist einer der alltäglichen temporären Magnete, die das MagLab in seiner Unterrichtsaktivität aufführt.

5. Dauermagnete und temporäre Magnete

Dauermagnete behalten ihren Magnetismus ohne jede Energiezufuhr. Man kann sie nicht ausschalten. Das MagLab nennt Keramikmagnete und Alnico, eine Legierung aus Aluminium, Nickel und Kobalt, als zwei gängige Typen.

Temporäre Magnete verhalten sich nur so lange wie Magnete, wie sie sich in einem Magnetfeld befinden. Weicheisen verhält sich so, und das MagLab weist darauf hin, dass es deshalb als temporärer Magnet in Geräten wie Telefonen und Elektromotoren verwendet wird.

Das lässt sich mit Büroklammern zeigen. In einer Unterrichtsaktivität des MagLab wird eine Büroklammer, die einen Magneten berührt, selbst zum Magneten und kann eine zweite Büroklammer halten. Ziehst du die beiden Klammern vorsichtig weg, haften sie noch eine Weile aneinander, weil ihre Elektronen noch geordnet sind. Lässt du sie auf einen Tisch fallen, bringt der Stoß diese Ordnung durcheinander, und der Magnetismus ist verloren.

6. Wie Magnete ihre Kraft verlieren

„Dauerhaft“ heißt nicht für immer. Das MagLab beschreibt zwei Hauptwege, einen Magneten zu entmagnetisieren:

• Hitze. Wärme führt Energie zu, die die Ausrichtung stört. Die Temperatur, bei der ein Magnet sein Feld nicht mehr halten kann, heißt Curie-Punkt.
• Stoß. Ein harter Schlag, etwa mit einem Hammer, kann ausgerichtete Domänen aus der Ausrichtung bringen.

Wie lange ein Magnet hält, hängt vom Material ab. Das MagLab weist darauf hin, dass reines Eisen nur wenige Minuten magnetisiert bleibt, während viele Eisenlegierungen ihren Magnetismus viel länger halten.

7. Elektromagnete: Magnete mit Einschalter

1819 bemerkte Hans Christian Ørsted, dass sich eine Kompassnadel drehte, wenn sie in der Nähe eines stromdurchflossenen Drahts war. Das MagLab erklärt, warum: Strom erzeugt immer ein Magnetfeld, das den Draht umkreist.

Ein einzelner gerader Draht erzeugt ein schwaches Feld. Das MagLab beschreibt, wie man es stärker macht:

1. Den Draht aufwickeln. Schleifen fassen die einzelnen Felder zu einem viel stärkeren zusammen. Eine solche Spule heißt Solenoid, und ihr Feld wächst proportional zur Windungszahl. Zehn Windungen ergeben etwa das 10-Fache des Feldes einer einzelnen.
2. Einen Eisenkern einsetzen. Die Domänen des Eisens richten sich nach dem Feld der Spule aus und verstärken es deutlich, ohne mehr Strom zu verbrauchen.
3. Den Strom erhöhen. Mehr Leistung durch die Spule bedeutet ein stärkeres Feld.

Schaltest du den Strom ab, verschwindet das Feld.

8. Wie stark ist ein Magnet?

Wissenschaftler messen die Magnetfeldstärke in Tesla und Gauß, wobei 1 Tesla 10.000 Gauß entspricht. Das MagLab nennt einige Vergleiche:

Elektromagnete können viel höher gehen als Dauermagnete, weshalb sich Forschungslabore und MRT-Geräte (MRI) in Krankenhäusern auf sie stützen.

9. Das Wichtigste in Kürze

• Jeder Magnet hat einen Nord- und einen Südpol; ungleichnamige Pole ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab.
• Magnetismus stammt von Elektronen, entweder als Strom fließend oder an Ort und Stelle rotierend.
• In den meisten Materialien heben sich die Elektronenmagnete auf; in Eisen und einigen anderen Metallen richten sie sich in Domänen aus.
• Ein Dauermagnet ist ein Material, dessen Domänen alle in dieselbe Richtung zeigen; Hitze oder ein harter Schlag können sie durcheinanderbringen.
• Ein Elektromagnet ist eine stromdurchflossene Spule, oft mit Eisenkern, und schaltet sich ab, wenn der Strom aufhört.