Magnetismus A - Z

Maximale Einsatztemperatur

Permanentmagnete dürfen nicht jeder beliebigen Temperatur ausgesetzt werden. Bei hohen Temperaturen verschwindet das Magnetfeld. Dies liegt daran, dass die Elementarmagnete, welche durch eine Magnetisierung parallel ausgerichtet wurden, bei hohen Temperaturen aufgrund der Wärmeenergie wieder neu durchmischt werden und nicht parallel ausgerichtet bleiben. Jeder Magnet hat deshalb eine maximale Einsatztemperatur. Diese wird vom Hersteller angegeben (z.B. als Buchstabe in der Güte des Magneten).
Ferromagnetische Materialien werden in einem äußeren Magnetfeld magnetisiert. Wird das äußere Feld abgeschaltet, so verbleibt eine Remanenz. Das Material bleibt also magnetisch und kann selbst als Magnet eingesetzt werden. Die Remanenz geht jedoch bei hohen Temperaturen zurück. Die Magnetisierung verschwindet. Jeder Magnet hat eine maximale Einsatztemperatur, die zur Vermeidung von Entmagnetisierung festgelegt wird. Oberhalb dieser Temperatur, die vom Material des Magneten abhängt, kann es zu einer Entmagnetisierung kommen. Das Material muss dann abkühlen und neu magnetisiert werden.
Um diesen Effekt zu verstehen, muss man den physikalischen Hintergrund der Remanenz betrachten. Remanenz kann leicht verstanden werden, wenn man die Magnetisierung auf einer mikroskopischen Ebene der einzelnen Atome betrachtet.
In ferromagnetischen Materialien gibt es an jedem Atom ein magnetisches Moment, welches durch den Elektronenspin eines ungepaarten Elektrons verursacht wird. Dieses magnetische Moment wirkt selbst wie ein kleiner Magnet mit einem Nord- und einem Südpol. Durch ein äußeres Magnetfeld wirkt nun auf die magnetischen Momente aller Elektronenspins eine Kraft, welche die Spins dreht und parallel zum äußeren Magnetfeld ausrichtet. Sind die magnetischen Momente erst einmal ausgerichtet, so kommt es in ferromagnetischen Materialien zu einer Stabilisierung dieser Ausrichtung durch die Austauschwechselwirkung zwischen den Elektronenspins.
Die Austauschwechselwirkung führt dazu, dass es energetisch günstiger ist, wenn alle Elektronenspins parallel stehen. Allerdings hat diese Wechselwirkung nur eine begrenzte Stärke. Die Elektronen selbst sind beweglich und durch äußeren Einfluss kann die Ausrichtung der Elektronenspins verändert werden.
Wie also alle Elektronenspins durch ein äußeres Magnetfeld ausgerichtet wurden, ist es denkbar, die Elektronenspins wieder zu durchmischen, wenn man das System so stark stört, dass die Austauschwechselwirkung zwischen den Elektronenspins überwunden wird.
Dies kann durch ein äußeres Magnetfeld geschehen, welches dem Magnetfeld der Elektronenspins entgegengerichtet ist.
Durch harte mechanische Stöße kann das Material ebenfalls entmagnetisiert werden, weil die Ausrichtung der Elektronenspins dann mechanisch gestört wird.
Eine dritte Möglichkeit, die Remanenz aufzuheben, besteht darin, das magnetisierte Material zu erwärmen. Die Temperatur eines Festkörpers wird durch die Bewegungsenergie der einzelnen Atome bestimmt. Durch Erwärmen eines Ferromagneten nimmt auch die Bewegung der Elektronenspins zu. Mit steigender Bewegungsenergie (thermischer Energie) wiederum nimmt die Wahrscheinlichkeit dafür zu, dass sich ein Elektronenspin trotz der Austauschwechselwirkung aus seiner parallelen Ausrichtung verdreht. Ist die thermische Energie größer als die Austauschwechselwirkung, so kommt es zu einer raschen Unordnung der ursprünglich ausgerichteten Elektronenspins. Die Temperatur, bei der ein Ferromagnet in einen Paramagneten übergeht, ist die sogenannte Curie-Temperatur. Oberhalb der Curie-Temperatur wird ein magnetisiertes Material vollständig entmagnetisiert. Die Remanenz sinkt also auf Null. Da die Austauschwechselwirkung für jedes Material charakteristisch ist, haben verschiedene Materialien auch verschiedene Curie-Temperaturen. Sie liegt bei 769 °C für Eisen, 1127 °C für Kobalt und 358 °C für Nickel.
Die maximale Einsatztemperatur kann also die Curie-Temperatur des Materials grundsätzlich nicht übersteigen. Um auch teilweise Entmagnetisierungen zu vermeiden, liegt die maximale Einsatztemperatur meist ein ganzes Stück unterhalb der Curie-Temperatur. Die Unordnung der Elektronenspins nimmt mit der Temperatur stetig zu. Auch Materialverzerrungen oder generelle Materialinstabilitäten können bereits bei Temperaturen weit unter der Curie-Temperatur auftreten. Die maximale Einsatztemperatur wird deshalb so festgelegt, dass unterhalb der maximalen Einsatztemperatur keinesfalls eine Entmagnetisierung des Magneten durch Wärme auftritt. Der Hersteller charakterisiert die maximale Einsatztemperatur seiner Magnete durch einen Buchstaben in der Güte. Eine Güte von 50M beispielsweise charakterisiert einen Magneten mit einem Energieprodukt von 50 MegaGaussOersted und einer maximalen Einsatztemperatur von 100 °C (M). Weitere Kürzel sind "N" für 80°C, "H" für 120 °C, "SH" für 150°C, "UH" für 180°C und "EH" für 200 °C.

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