Was ist Magnetismus?

Was ist das physische Anziehungsprinzip von Magnetkraft?

Magnetismus beschreibt das physische Prinzip mit dem wir Produkte entwickeln, die Probleme lösen, wie das Handling, Anheben oder der Transport von Metallen. Magnetismus dient auch der Filterung von Eisenverunreinigungen aus Produktströmen. Er hilft uns beim Recycling oder der Sortierung von Abfall- oder Rohmaterialströmen.

About magnetism | Goudsmit Magnetics

Magnetit

Alternative Namen: Magneteisenstein, magnetisches Eisenerz

Bereits im Altertum entdeckte man, dass Magnetitkristalle einander je nach Orientierung anziehen oder abstoßen. Wir nennen dieses physische Phänomen Magnetismus. Magnetit ist, ebenso wie Magnesium nach Magnisia benannt, einer Region in Thessalienë im antiken Griechenland, wo es viel magnetisches Gestein gibt.

 

Für den Magnetismus des Magnetits ist das vorhandene Eisen verantwortlich. Viele Eisenlegierungen weisen Magnetismus auf. Neben Eisen verfügen auch Nickel, Cobalt und Gadolinium über magnetische Eigenschaften.

Magnetite and paperclip | Goudsmit Magnetics

Ferromagnetische Rohstoffe

„Hart-“ oder „weich-“ magnetisch?

Von allen magnetischen Rohstoffen sind ferromagnetische die einzigen, die stark genug sind, um von einem Magneten angezogen zu werden oder als Magnet verwendet werden können.

 

Ferromagnetische Rohstoffe können in magnetisch weiche Materialien wie geglühtes Eisen, das magnetisch ist, aber nicht so bleibt, und in magnetisch harte Materialien unterteilt werden, die magnetisch bleiben.

 

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Permanenter Magnetismus

Ferromagnetische, harte Materialien können magnetisch bleiben

Ein Permanentmagnet ist ein ferromagnetisch hartes Material. Es behält seine magnetischen Eigenschaften für eine lange Zeit nach der Magnetisierung bei und hat ausreichend Widerstand gegen das Entmagnetisieren.

 

Alle Magnete haben 2 Pole, die wir nennen Nord-(N) und Süd- (S)Pol nennen. Nord- und Südpol ziehen sich an. Die Anziehungskraft nimmt mit dem Quadrat der Entfernung zwischen ihnen ab.

 

Der Nordpol eines Magneten stößt den Nordpol eines anderen Magneten ab und zieht den Südpol des anderen Magneten an. Zwei Südpole stoßen einander ebenfalls ab.

 

Magnetfeldlinien

Feldlinien sind imaginäre Linien, welche die Ausrichtung des Magnetfeldes an einem bestimmten Punkt anzeigen. Sie werden sichtbar, wenn Sie ein Blatt Papier auf einen Magneten und sein Magnetfeld legen und mit Eisenspänen bestreuen. Die Eisenspäne gruppieren sich entlang der Feldlinien und zeigen diese an. Eine Kompassnadel weist auch entlang der Feldlinien und zeigt diese ebenfalls an.

 

Feldlinien sind also sowohl symmetrisch als auch in eine Richtung weisend. Außerhalb des Magneten verlaufen sie von Norden nach Süden und innerhalb des Magneten von Süden nach Norden. Die Dichte der Magnetfeldlinien stellt die Stärke des Magnetfeldes dar, auch definiert als Flussdichte.

 

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Magnetic Field N-S with field lines | Goudsmit Magnetics

Permanentmagnete von Goudsmit

Verschiedene magnetische Materialien und Qualitäten sind verfügbar

Magnete von Goudsmit sind von einer derart hohen Qualität, dass sie im Laufe der Zeit kaum an magnetischer Kraft verlieren. Vorausgesetzt, Sie setzen die Magneten unter Berücksichtigung der Spezifikationen ein, z. B. dem Temperaturbereich oder externer Magnetfelder.

 

Wir liefern und verwenden vier Arten von Magnetlegierungen in unseren Systemen. Jede Legierung dient einem speziellen Zweck. Die wichtigsten Unterschiede sind die Stärke und Beständigkeit gegen das Entmagnetisieren. Der Widerstand gegenüber dem Entmagnetisieren hängt von dem Material und der Qualität sowie dem Verhältnis der Abmessungen ab.

 

Bei allen Magneten nimmt die Kraft mit steigender Temperatur ab. Einige Materialien sind davon mehr betroffen als andere. Der Widerstand gegenüber dem Entmagnetisieren nimmt im Allgemeinen mit zunehmender Temperatur ab. Eine Ausnahme bildet Ferrit, bei dem der Widerstand gegen das Entmagnetisieren verringert wird, sobald die Temperatur abnimmt.

 

Klicken Sie auf ein Magnetmaterial, um mehr über die Legierung, seine verschiedenen Qualitäten und spezielle Anwendungen zu erfahren.

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Goudsmit permanent magnets | Goudsmit Magnetics

Die Erde ist ein Magnetfeld

Geografischer Nord- und Südpol

Die Erde hat auch ein Magnetfeld. Ein magnetischer Südpol nahe dem geografischen Nordpol und einem magnetischen Nordpol nahe dem geografischen Südpol. Aus diesem Grund hat ein frei schwingender Magnet immer eine nördliche Ausrichtung. Die Bezeichnungen der Magnetpole sind hiervon abgeleitet. Es ist verwirrend, dass wir den Südpol des Erdmagneten als magnetischen Nordpol und den Nordpol des Erdmagneten als magnetischen Südpol bezeichnen.

 

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Compass | Goudsmit Magnetics

Einfluss von Magnetismus

Reaktion verschiedener Materialien auf Magnetismus

Ferromagnetische Materialien sind die einzigen Materialien, deren magnetische Eigenschaften stark genug sind, um von einem Magneten angezogen zu werden (weshalb sie als magnetisch betrachtet werden). Alle anderen Substanzen reagieren auf eine oder mehrere Arten von Magnetismus ebenfalls schwach auf ein Magnetfeld.

 

Setzen wir Material einem Magnetfeld aus, kann es auf verschiedene Arten reagieren. Wir unterscheiden zwischen den folgenden Arten von Magnetismus:

  • Diamagnetismus
  • Ferromagnetismus
  • Antiferromagnetismus
  • Ferrimagnetismus
  • Paramagnetismus
    • Pauli-Paramagnetismus
    • Super-Paramagnetismus
  • Spin-Glas-Magnetismus

Wenn wir von magnetischem Material sprechen, meinen wir, dass es ferro- oder ferrimagnetische Eigenschaften aufweist. Die Kräfte, die bei dia- und paramagnetischen Eigenschaften auftreten, sind viel kleiner und diese Materialien weisen kein eigenes spontanes Magnetfeld auf. Wir betrachten sie daher als nicht-magnetisch. Diamagnetische Materialien neigen dazu, die Feldlinien aus ihrem Inneren zu verdrängen, während ferro-, ferri- und paramagnetische Materialien dazu neigen, diese zu konzentrieren.

 

Ein praktisches Beispiel für Diamagnetismus ist Wasser, das etwa vierzig Mal weniger diamagnetisch ist als beispielsweise Pyrokohlenstoff. Aber es reicht, damit leichte Objekte, die viel Wasser enthalten, beginnen zu schweben, wenn sie sich in einem starken Magnetfeld befinden.

 

Dieser Frosch etwa begann in einem 16-Tesla-Elektromagnetfeld im High Magnetic Field Laboratory an der Radboud-Universität Nijmegen in den Niederlanden zu schweben.

 

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Frog under magnetic levitation | Goudsmit Magnetics

Magnetisierende Magnete

Magnetisierungsrichtung – anisotrop – isotrop

Gängige Permanentmagnete sind anisotrop, das bedeutet, dass der Magnet eine bevorzugte Richtung hat und ausschließlich über eine Achse magnetisiert werden kann. Der Magnet kann allerdings umgepolt werden, sodass Nord- und Südpol vertauscht werden. Goudsmit verfügt über besonders starke Magnetisierungsgeräte, um sicherzustellen, dass die Permanentmagnete maximal gesättigt magnetisiert werden.

 

Wir magnetisieren Magnete, indem wir sie in einer Spule platzieren. Mit einem Impulsgenerator lassen wir für eine sehr kurze Zeit einen hohen Strom durch die Spule fließen. Als Ergebnis erzeugt die Spule kurz ein sehr starkes Magnetfeld, wodurch der Magnet die Richtung dieses Magnetfeldes übernimmt.

 

Ferritmagnete sind ebenfalls in isotropischer Ausführung erhältlich. Diese Magnete werden keinem Magnetfeld ausgesetzt und können daher später in jede Richtung magnetisiert werden.

 

Ebenfalls erhältlich sind segmentförmige Ferrit- und Neoflux®-Magnete. Diese sind radial anisotropisch und können daher nur in radialer Richtung magnetisiert werden.

 

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(Ent-)Magnetisierungskurve

Hysteresis in ferromagnetischen Materialien – BH-Kurve = Hysteresiskurve

Ferromagnetisches Material weist „Hysteresis“ auf. Sie können dies in der nachstehenden Abbildung sehen. Auf der X-Achse ist die magnetische Feldstärke H und auf der Y-Achse ist die magnetische Flussdichte B abgebildet. Wenn kein Magnetfeld vorliegt, gibt es zu Anfang keine Magnetisierung und wir beginnen im Ursprung der Kurve.

 

Wenn wir ein Magnetfeld anlegen, wird das ferromagnetische Material magnetisch. Das bleibt so, bis alle „Weißbereiche“ im Material dieselbe Ausrichtung haben. Das Material ist nun maximal magnetisiert und eine Erhöhung des Magnetfelds hat keinen weiteren Einfluss auf die Höhe der Magnetisierung. Wenn wir das Magnetfeld verringern, werden die Weißbereiche größtenteils an denselben Stellen verbleiben.

 

Erst wenn das Feld negativ wird, ändert die gesamte Magnetisierung die Richtung. Dies setzt sich so lange fort bis alle Spins in die andere Richtung weisen und die Magnetisierung umgekehrt wurde. Das Produkt ist nun entmagnetisiert.

 

Hysteresiskurve (BH-Kurve)

Beim Anlegen eines periodisch wechselnden, externen Magnetfelds H durchläuft die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials eine Magnetisierungskurve. Bei einem „reinen“ Material ohne Vormagnetisierung wird beim ersten Anlegen eines externen Feldes H die blaue Kurve durchlaufen. Bei Erreichen der Sättigungsflussdichte und der Magnetfeldstärke Hs nimmt die Magnetisierung nicht weiter zu.

 

Wenn wir das Feld umkehren, fällt die Magnetisierung bei Feldstärke H = 0 nicht vollständig auf Null zurück. Als Ergebnis der „Weißbereiche“ gibt es gibt eine remanente Feldstärke BR, die noch nicht in ihren ursprünglichen Zustand zurückgekehrt ist.

 

Nur wenn die externe Feldstärke einen gegensätzlich gerichteten Wert erreicht hat, wird die Koerzitivfeldstärke Hc bzw. die Magnetisierung B zu Null. Das Produkt ist entmagnetisiert. Die Fläche der durchlaufenen Schleife mit wechselnder Magnetisierung ist ein Maß für den Verlust. Materialien mit niedrigen Hc-Werten und daher kleinen Hysteresisschleifen werden als weiche magnetische Materialen bezeichnet. Wenn Hc sehr groß ist, werden die Materialien als hartmagnetisch bezeichnet.

 

Remanenz Br:

Remanenz ist die magnetische Induktion in magnetischem Material bei einer Feldstärke null (H=0) und nach vollständiger Sättigung.

 

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Hysteresiskurve (BH-Kurve)

Hysteresis curve / BH curve | Goudsmit Magnetics

Eisenmetalle

Metalle mit magnetischen Eigenschaften

Zu den Eisenmetallen zählen Eisen, Cobalt und Nickel. Aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften wird Gadolinium manchmal auch zu den Eisenmetallen gezählt. Alle sonstigen Metalle zählen zu den Nicht-Eisenmetallen.

 

Eisenmetalle spielen eine wichtige wirtschaftliche Rolle. Das liegt nicht daran, dass sie selten sind sondern, im Gegenteil, an ihrem Überfluss. Dies führte zur Entwicklung zahlreicher technischer Anwendungen. Der wirtschaftliche Wert wird bei den Eisenmetallen durch ihre Quantität bestimmt. Bei den Nicht-Eisenmetallen, die wesentlich seltener sind, wird der Wert von ihrer Qualität bestimmt. Bei den wenigen, die es gibt, besteht eine hohe Nachfrage.

 

Die Unterscheidung zwischen Eisen- und Nicht-Eisenmetallen ist auch in der Abfallverarbeitung von wirtschaftlicher Bedeutung. Deshalb ist es interessant, die beiden Gruppen in einer frühen Phase des Recyclingprozesses zu trennen. Dies wird mit Recycling- und Sortiermagneten erreicht.

 

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Unerwünschter Magnetismus

Unerwünschter Magnetismus ferromagnetischer Materialien

Ferromagnetische bzw. magnetisch leitende Materialien, wie z. B. Eisen und Stahl können sehr leicht magnetisiert werden. Je nach Art des Materials oder der Legierung bleibt das Produkt magnetisch. Dies wird als remanenter Magnetismus bezeichnet. Auch nicht-ferritischer Edelstahl kann durch Verformen oder Schweißen magnetisch werden.

 

Der Magnetismus, der dabei aufgenommen wird, stammt häufig aus anderen Magnetquellen, wie z. B. Hebemagneten, Aufspanntischen, Lautsprechern oder magnetischen Transportsystemen. Aber auch Magnetfelder um Transformatoren, Schweißkabel oder Schweißprozesse herum können eine Quelle für Magnetismus darstellen. Darüber hinaus können bestimmte Verarbeitungsmethoden, wie Bohren, Schleifen, Sägen oder Schmirgeln remanenten Magnetismus im Material verursachen. Dies gilt sogar für Edelstahl.

 

Die Auswirkungen von Restmagnetismus können störend und zusätzlich sehr kostspielig sein. Eine Schraube, die an einem Schraubenzieher hängen bleibt ist praktisch, aber zwei zusammenklebende Produkte in einer Form legen die gesamte Produktion still und kosten Geld. Weitere mögliche Folgen von unerwünschtem Magnetismus sind raue Oberflächen nach dem Galvanisieren, einseitig verbundene Schweißnähte, hohe Verschleiß an Lagern oder zurückbleibende Späne.

 

Diese Folgen können vermieden werden, wenn Sie das Material entmagnetisieren.

 

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Unwanted magnetism - demagnetization | Goudsmit Magnetics

Verlust von magnetischen Eigenschaften

Irreversibler Verlust

Wenn wir die Temperatur auf die Curie-Temperatur erhöhen, verliert der Magnet dauerhaft seine magnetischen Eigenschaften. Die Atome vibrieren dann so intensiv, dass es keine gleichförmige Ausrichtung mehr gibt, was dazu führt, dass der Magnet entmagnetisiert wird. Dasselbe kann aufgrund mechanischer Erschütterungen, Oxidation oder Exposition gegenüber sehr starken externen Feldern auftreten.

 

Dieser Verlust kann nicht ausgeglichen werden = unumkehrbar.

 

Andererseits gibt es umkehrbaren Verlust, d. h.  vorübergehenden Verlust von Magnetismus, z. B. aufgrund der Temperaturänderung. Dieser Verlust ist durch Abkühlung und/oder erneutes Magnetisieren umkehrbar.

 

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Elektromagnetismus

Magnetismus, der durch elektrischen Strom erzeugt wird

Elektromagnetismus wird durch elektrischen Strom erzeugt. Im Wesentlichen wird Magnetismus durch rotierende elektrische Ladungen in Wirbelströmen verursacht.

 

Physik der Elektromagnetismus

Um einen leitenden Draht, durch den ein elektrischer Strom fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt. Die erzeugte magnetische Flussdichte B wird ausgedrückt in Tesla (T), Gauss (G = Vs/m2) oder Weber (Wb/m2):

 

Φ = L * I

B = ΔΦ/ΔS, mit ΔS als Oberfläche[m2].

wobei:

Φ magnetischer Fluss in Weber (Wb)
L Selbstinduktion in Henry (H)
I Stromstärke Ampere (A)

 

Hohe Ströme oder hohe Selbstinduktion erzeugen ein starkes Magnetfeld. Hohe Ströme sind nicht immer anwendbar oder wünschenswert. Sie können gefährlich sein und Wärme erzeugen. Deshalb generieren wir normalerweise eine hohe Selbstinduktion, wenn wir einen Draht um einen Eisenkern wickeln, der dann als „Magnet“ bezeichnet wird. Die Felder in allen Windungen werden summiert und resultieren in einem starken, unschädlichen Magnetfeld.

 

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Electromagnetism - BI - right hand rule | Goudsmit Magnetics

Elektromagnete

Magnetismus durch elektrischen Strom

Elektromagnete werden nur unter dem Einfluss von elektrischem Strom magnetisch.

 

Sie werden Permanentmagneten häufig vorgezogen, nämlich immer dann, wenn ein sehr intensives und starkes Magnetfeld benötigt wird. Ein wichtiger Vorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Permanentmagneten besteht darin, dass das Magnetfeld per Knopfdruck rasch ausgeschaltet oder durch eine Änderung der Stromstärke in der Wicklung rasch angepasst werden kann.

 

Elektromagnete haben einem Kern, der aus einem ferromagnetischen Material, z. B. Weicheisen, besteht, um den eine Spule gewickelt ist. Der Kern ist nur magnetisch solange eine elektrischer Strom durch die Spule fließt.

 

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Electro pot magnet & large electromagnetic coil | Goudsmit Magnetics

Magnetische Flussdichte B

Ein Wert für die Magnetstärke

Die Flussdichte ist die Menge der Magnetfeldlinien, die an einem bestimmten Punkt an einer Oberfläche verlaufen. Die SI-Einheit ist T (Tesla), die gleich Weber pro Quadratmeter (Wb/m2) ist. Die Einheit im CGS-System ist G (Gauss). 1 Tesla entspricht 10.000 Gauss.

 

An jedem beliebigen Punkt in einem Magnetfeld ist die magnetische Flussdichte als Vektor in Feldrichtung messbar, mit einer Größe gleich der Lorentz-Kraft, die ein elektrischer Draht erfährt, wenn er senkrecht zu den Feldlinien ausgerichtet ist.

 

Je höher die Flussdichte, desto stärker ist der Magnet an diesem Punkt und desto besser kann er an dieser Stelle Eisenteilchen festhalten.

 

Goudsmit berechnet die Flussdichte mit Hilfe der Finite-Elements-Methode (FEM-Berechnung). Damit können wir für ein neues oder bereits vorhandenes Produkt bzw. eine neue oder bereits vorhandene Anwendung den richtigen Magneten schneller und besser entwickeln. Hier erfahren Sie mehr über Magnetberechnungen und Simulationen.

 

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Wirbelstrom / Foucault-Strom

Induktionsströme werden durch ein wechselndes Magnetfeld erzeugt

Ein Wirbelstrom ist ein Induktionsstrom, der von einem wechselnden Magnetfeld um ein elektrisch leitfähiges Material erzeugt wird.

 

Eine andere Benennung für Wirbelstrom ist Foucault-Strom. Dies ist elektrischer Strom, der gewollt oder ungewollt in einem flachen Leiter induziert wird. Es handelt sich um ein physisches Phänomen, das beispielsweise ein verändertes Magnetfeld in einer Metallplatte verursacht. Dies kann ein Wechselfeld einer elektrischen Spule sein, aber auch das Ergebnis einer Bewegung, die bewirkt, dass die Platte die Feldlinien schneidet. Wenn ein Leiter Magnetfeldlinien schneidet, wird darin ein Strom induziert.

 

Wir verwenden dieses Prinzip in den Wirbelstromscheidern, um Nicht-Eisenmetalle aus Materialflüssen zu Recyclingzwecken zu trennen.

 

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Messung von Magnetismus

Gauss- oder Teslameter

Die einfachste Art, Magnetismus festzustellen, ist mit Hilfe einer Büroklammer. Wenn Sie diese an einem dünnen Faden knapp über der Oberfläche bewegen, können Sie die magnetischen Bereiche bestimmen. Wenn das Produkt die Büroklammer tatsächlich anzieht und diese auch haften bleibt, beträgt die magnetische Flussdichte mindestens 20 Gauss. Unter 20 Gauss fällt die Büroklammer herunter und über 40 Gauss haftet sie fest.

 

Eisenspäne bleiben schon ab 10 Gauss haften. Das ist sehr wenig, da der Erdmagnetismus (abhängig vom jeweiligen Ort auf der Erde) bei etwa 0,5 Gauss liegt.

 

Durch die Verwendung eines Gauss- oder Teslameters, auch bekannt als Magnetfeldmesser, können wir die exakte Feldstärke und Feldrichtung messen.

 

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Magnetism / gaussmeter / teslameter | Goudsmit Magnetics

Gefahren von Magnetismus

Gefahren des Magnetfeldes

Neodym-Eisen-Bor- oder NdFeB-Magnete werden von Goudsmit unter dem Markennamen Neoflux® geführt. Diese Magnete sind sehr stark. Neodym-Magnete, die kleiner als eine Cent-Münze sind können über 10 Kilogramm heben!

 

Dabei können diese Magnete auch gefährlich werden, denn Haut oder Finger können eingeklemmt werden, wenn Eisen oder Stahl von dem Magneten angezogen werden.

 

Neodym-Magnete werden mit speziellen Pulver und Beschichtungen hergestellt und sind daher brüchig und leicht zerbrechlich. Sie können bei Temperaturen über 150 °C, oder wenn sie gegeneinander stoßen, leicht zerbrechen. Sie zerbrechen plötzlich und heftig, sodass herumfliegende Teilchen zu Verletzungen am Auge oder am Körper führen können.

 

Neodym-Magnete sollten immer weit entfernt von elektrischen Geräten, magnetischen (Bank-)Karten, Röhrenmonitoren, Herzschrittmachern, Uhren usw. aufbewahrt werden, da sie andernfalls dauerhafte Schäden an diesen Geräten verursachen können.

 

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Einige Warn- und Verbotsschilder zu Magneten, die Sie selbst anbringen können:

Warning for magnetic field | Goudsmit Magnetics