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Magnetismus

Magnetit

Der mineralische Magnetit und seine magnetischen Eigenschaften wurden sowohl im antiken Rom als auch im alten China entdeckt und genutzt. Der Magnetit ist zu einem wichtigen Geschäftsartikel geworden, hauptsächlich aufgrund seiner Fähigkeit zu navigieren. Nach der Entdeckung dieser Magnetiteigenschaft mussten sich Seeleute nicht mehr nur auf Sterne und Leuchttürme an der Küste verlassen, sondern konnten nun auch Karten und den Kompass zur Hilfe nehmen, um ihr Schiff zu navigieren, da die magnetische Nadel des Kompasses die Nord-Süd-Richtung anzeigte.

Magnetit ist ein magnetisiertes Eisenerz. Nicht jedes Eisenerz auf der Erde hat magnetische Eigenschaften. Die Ursprünge dieser Besonderheit werden von Wissenschaftlern anhand verschiedener Theorien erklärt. Eine bevorzugte Erklärung ist, dass der Magnetit durch den natürlichen Vulkanismus gebildet wird. Durch die Druckentlastung beim Ausbruch bilden sich große Mengen an Gasen. Je nach Eigenschaften der ursprünglichen Gesteine und der Zusammensetzung der Lava, kommt es zur Bildung von Eisenhydroxiden, also eine Verstärkung der eisenhaltigen Schichten. Daraus entsteht beim Abkühlen Magnetit (durch Kristallisation). Wenn das Magma, welches das Eisen enthält, schnell abkühlt, kommt es nicht zur Bildung von Eisenhydroxiden, sodass sich nicht magnetisches Eisenerz ausbildet.

Im Sand und im Boden ist es möglich Spuren von Magnetit zu finden. Diese kleinen Teilchen können mit einem Eisenobjekt mit magnetischen Eigenschaften oder einem Magneten selbst angezogen werden. Große Magnetite sind dagegen schwerer zu finden, dennoch reicht die Menge aus, um Magnete zu produzieren.

Magnetismus in Objekten aus Eisen und Stahl

Eisen- und Stahlobjekte können durch das Reiben an/mit einem Permanentmagneten vorübergehend magnetisch aufgeladen werden. Nach dem Aufladen verlieren dünne, kleine Gegenstände aus Eisen (wie Nägel, Stifte) ihre magnetischen Eigenschaften in ein paar Minuten. Stahlgegenstände sind dagegen länger magnetisch, brauchen aber länger, um magnetisch aufgeladen zu werden. Dabei ist zu beachten, dass der Gegenstand nur in eine Richtung an den Permanentmagneten gerieben wird. Somit können sich die Pole im Gegenstand schneller ausrichten, als wenn abwechselnd in beide Richtungen gerieben wird. Durch das Magnetisieren bildet sich um den Gegenstand ein magnetisches Feld mit einer bestimmten Feldstärke aus. Sie nimmt nach der Magnetisierung des Gegenstandes jedoch merklich ab. Dies bleibt gleich, egal wie oft der Gegenstand magnetisch aufgeladen wurde. Die zweite Möglichkeit, einen Gegenstand magnetisch aufzuladen, besteht darin, Objekte, die vom Magneten angezogen werden, lange Zeit in seiner Nähe zu belassen

Industriemagnete

Industriemagnete bestehen üblicherweise aus Stahl und erhalten ihre magnetischen Eigenschaften durch die Einwirkung von elektrischem Strom. Beispielsweise indem ein Draht um einen Nagel gewickelt und dieser in den Stromkreis gehalten wird. Der Draht, mit der der Nagel umwickelt ist, stellt ein zentrales Element der Industriemagneten, die Spule, dar, durch welche der Strom fließt. Unmittelbar nach dem Anschließen an den Stromkreis entsteht in der Spule ein magnetisches Feld, durch das der Nagel magnetisch aufgeladen wird. Ein solcher Magnet, welcher durch das Fließen von elektrischem Strom entsteht, wird als Elektromagnet bezeichnet. Die Intensität des erzeugten Magnetfeldes hängt von der Dichte des durch den Draht fließenden elektrischen Stroms ab. Durch die dichte Umwicklung des Drahtes um den Nagel erhalten wir schon bei niedrigen Werten des fließenden elektrischen Stroms eine gute magnetische Ladung. Wird der Nagel vom aus dem Stromkreis entfernt, verliert er hingegen seine magnetischen Eigenschaften. Das Prinzip der Schaffung eines Elektromagneten ist, dass jeder Draht, durch den der elektrische Strom fließt, ein magnetisches Feld in seiner Nähe erzeugt.

Erdmagnetfeld

Die magnetischen Eigenschaften des Kompasses können ausgenutzt werden, da sich die Erde wie ein großer Magnet verhält. Der Grund für die Existenz des Erdmagnetfeldes wird durch mehrere Hypothesen erklärt. Eine dieser Erklärungen besagt, dass Bewegungen im Erdinneren einen elektrischen Strom erzeugen, durch den das Magnetfeld induziert wird. Die Bewegungen zwischen dem inneren (festen) und äußeren (flüssigen) Teil des Erdkerns und der Rotation der Erde erzeugen einen elektrisch geladenen Materialfluss. Um diesen elektrisch geladenen Stromfluss herum, bildet sich ein Magnetfeld aus: das Erdmagnetfeld! Da der Erdkern hauptsächlich aus Eisen und Nickel (magnetische Materialien) besteht, wird ein sehr großer Magnet erzeugt. Heutige (Land-)Karten sind an die Ausrichtung dieses Magnetfeldes angepasst. Die klassische Karte zeigt den Raum so, dass seine senkrechte Richtung die Nord-Süd-Richtung darstellt. Karten, die eine andere Ausrichtung haben, enthalten normalerweise eine Kompassrose, mit der die nördliche Richtung auf der Karte identifiziert werden kann. Da der nördliche geographische Pol etwa 1.600 km vom nördlichen magnetischen Pol entfernt ist und der südliche geographische vom magnetischen etwa 2.400 km, kann der Kompass mit hoher Präzision im Raum ausgerichtet werden.

Theorie der Elementarmagnete

Obwohl die magnetischen Eigenschaften einiger Metalle bereits seit mehreren Jahrhunderten verwendet werden, muss die Wissenschaft das Phänomen noch weiter untersuchen. Interessant ist die Tatsache, dass ein Magnet in kleinere Teile geteilt werden kann, wobei jeder Teil seinen Nord- und Südpol behält. Diese Eigenschaft wird mit dem Begriff des Elementarmagneten erklärt. Magnete bestehen aus kleinen magnetischen Einheiten, den so genannten Elementarmagneten, innerhalb dieser jeweils ein nördlicher und südlicher Magnetpol identifiziert werden kann. Diese Elementarmagnete sind zufällig in einem Material gespeichert, also nicht fest angeordnet. Wenn wir jedoch das Objekt mit einem Magneten in einer Richtung zu reiben starten, beginnen sich die Elementarmagnete in eine Richtung auszurichten, sodass ein Magnet mit Nord- und Südpol wird gebildet. Das Erwärmen des Magneten bewirkt eine Zunahme der Bewegung dieser kleinen magnetischen Einheiten, welches zur Folge hat, dass die geordneten Teile verschoben werden. Somit geht die magnetische Eigenschaft verloren. Dies geschieht auch bei einer starken Erschütterung des Magneten.

Magnete ziehen nur Metallobjekte an, aber nicht alle. Neben Eisen sind auch Kobalt und Nickel angezogen. Andere Metalle werden nicht vom Magneten angezogen. Zum Beispiel zieht korrosionsbeständiger Stahl den Magneten nicht an, und er ist dem Stahl mit einem hohen Eisengehalt sehr ähnlich, der vom Magneten angezogen wird. Die visuelle Unterscheidung der vom Magneten gezogenen Metalle von denen, die nicht vom Magneten angezogen werden, ist oft nicht möglich. Die Metalle können mit einer antikorrosiven Beschichtung aus einem anderen Metall behandelt sein. Dosen bestehen normalerweise aus Stahl (durch einen Magneten gezogen) und sind mit einer antikorrosiven Oberfläche überzogen, die selbst nicht vom Magneten angezogen wird. Die meisten Stifte bestehen aus Stahl und können mit einem Magneten zusammengehalten werden, aber einige (auch wenn sie ähnlich aussehen) können aus rostfreies Material oder Messing bestehen, was bedeutet, dass sie nicht vom Magneten angezogen werden. Ähnlich verhalten sich auch Schlüssel, Löffeln oder kleine Verbindern (Nägel, Schrauben, Muttern usw.).

Magnetfeld

Magnetische Eigenschaften zeigen sich nur in einem bestimmten Abstand vom bewegen. In einer gewissen Entfernung vom Magneten ist das Feld so schwach, dass wir es nicht erkennen können – praktisch existiert es gar nicht. Verschiedene Magnete haben Magnetfelder, die sich auf verschiedene Entfernungen erstrecken (sie wirken auf Objekte und andere Magnete in unterschiedlichen Abständen). Zusätzlich zu diesem Merkmal variieren die Magnete auch mit dem Magneten, und wir sagen, dass ein magnetisches Feld um den Magneten herum existiert. Das Magnetfeld kann in der Intensität variieren, was dem Magneten entspricht, der Objekte aus einem größeren oder kleineren Abstand anzieht. Auch wenn wir das Magnetfeld nicht sehen können, kann es zum Beispiel durch Eisenspäne beobachtet werden. Die meisten Eisenspäne befinden sich in der Nähe von Magnetpolen. Späne sind in bestimmten Linien organisiert, die die Feldlinien kopieren – Richtung der Magnetkraft. Obwohl die Eisenspäne nicht in einem Abstand zum Magneten angeordnet sind, bedeutet dies nicht, dass das Magnetfeld nicht funktioniert. Es ist einfach zu schwach, um die Späne zu Intensität des Magnetfeldes. Dies zeigt sich beispielsweise daran, dass Magnete mit hoher magnetischer Feldstärke ein größeres Gewicht von Eisenobjekten beibehalten. Die Größe und Intensität des Magnetfeldes des Magneten sind zwei verschiedene Eigenschaften. Dies bedeutet, dass der Magnet ein kleines (bis zu einer kleinen Entfernung), aber sehr intensives (um eine große Menge an Eisengegenständen zu behalten) Magnetfeld und dergleichen haben kann. Das Magnetfeld wirkt auch durch Hindernisse, und das Magnetfeld selbst kann nicht reduziert oder geschwächt werden. Dies bedeutet, dass, wenn ein Hindernis zwischen dem Magneten und dem von dem Magneten angezogenen Objekt eingefügt wird, der Magnet das Objekt erreichen wird, wenn es innerhalb der Reichweite seines Magnetfeldes ist.