Magnetismus – Teil 3: Dia-, Para- und Ferromagnetismus - Elektromagnetismus

Unterschiedliche magnetische Eigenschaften

Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus sind Bezeichnungen für unterschiedliche magnetische Eigenschaften der Materie. Ein ferromagnetischer Stoff wird von einem Magneten stark angezogen. Ein paramagnetisches Material wird dagegen nur sehr schwach angezogen und ein diamagnetischer Stoff wird sogar schwach abgestoßen. Hier lässt sich auch eine Verbindung zur magnetischen Permeabilität herstellen. Dabei ist μ jeweils die Steigung der Kurve B(H)(magnetische Flussdichte in Abhängigkeit zur magnetischen Feldstärke).

Magnetisierbarkeit verschiedener Werkstoffe

Die Magnetisierbarkeit eines Werkstoffes kann mit Hilfe der magnetischen Permeabilität ausgedrückt werden. Ausgangspunkt ist dabei die Permeabilität des Vakuums, mit der Permeabilitätszahl von μr = 1. Diamagnetische Werkstoffe verhalten sich gering feldschwächend und haben eine Permeabilitätszahl etwas kleiner als 1 → μr < 1. Paramagnetische Werkstoffe verhalten sich geringfügig feldstärkend und haben eine Permeabilitätszahl etwas größer als 1 → μr > 1. Ferromagnetisch Werkstoffe verhalten sich deutlich feldstärkend und haben eine Permeabilitätszahl deutlich größer als 1 → μr >> 1. Ab etwa μr = 100 werden Werkstoffe als ferromagnetisch bezeichnet. Die ferromagnetischen Werkstoffe wer-den noch unterteilt in hartmagnetisch und weichmagnetisch. Bei hartmagnetischen Stoffen beträgt der Unterschied von der Anfangspermeabilität μro = 1 und der maximalen Permeabilität etwa Faktor 100 bezogen auf μro (bei weichmagnetischen Stoffen liegt dieser Faktor bei rund 10). Dabei ist noch zu berücksichtigen, dass das μrmax für weichmagnetische Stoffe schon bei relativ kleinen Feldstärken erreicht wird und bei hartmagnetischen bei großen Feldstärken (im Bereich kA/m).

Elektromagnetismus

Der Elektromagnetismus steht im engen Zusammenhang zu den elektrischen Maschinen. Eine zentrale Rolle spielt für diese Form des Magnetismus folgende Tatsache: Ein von elektrischem Strom durchflossener Leiter baut ein ihn umgebendes Magnetfeld auf. Dieses Feld ist gerichtet und ist in seiner Ausrichtung von der Stromflussrichtung abhängig. Das heißt, dass sich bei jeder Stromänderung auch das Magnetfeld ändert und dass sich bei jeder Richtungsänderung des Stroms (z. B. Wechselstrom) auch eine Umpolung des Magnetfeldes ergibt. Die Rechtsschraubenregel oder Rechte-Hand-Regel beschreibt den Zusammenhang zwischen der Stromflussrichtung in einem elektrischen Leiter und der daraus resultierenden magnetischen Flussrichtung.

Rechte-Hand-Regel

Wenn man einen stromdurchflossenen Leiter mit der rechten Hand so umfasst, dass der abgespreizte Daumen die technische Stromflussrichtung angibt, dann zeigen die Finger in Richtung des magnetischen Flusses (Bild 1). Die physikalische Abhängigkeit lässt auch einen Umkehrschluss zu: Ist die magnetische Flussrichtung bekannt, dann werden beim Umfassen der Leitung die Finger in diesen Fluss gelegt. Der abgespreizte Daumen zeigt dann die technische Stromflussrichtung an.

Rechtsschraubenregel

Schraubt man eine Schraube mit Rechtsgewinde in eine Mutter oder eine Holzschraube in ein Holz, dann entspricht die Richtung der Schraubbewegung der magnetischen Flussrichtung. Die Schraube bewegt sich dabei in die Mutter bzw. in das Werkstück. Diese Bewegung zeigt damit die Stromflussrichtung an.

Kraftwirkungen

Die von Permanentmagneten ausgehenden Kraftwirkungen sind gerichtet. Diese Richtung wird üblicherweise durch Pfeile an den Feldlinien grafisch abgebildet. Diese Kraft zeigt sich durch eine abstoßende bzw. anziehende Wirkung. Dabei entscheiden die Polungen der Magnete über die Art der Wirkung:

• unterschiedliche Pole ziehen sich an und
• gleiche Pole stoßen einander ab. Die gleichen Beobachtungen kann man bei nebeneinanderliegenden stromdurchflossenen Leitern machen:
• In gleicher Richtung durchflossene parallele Leiter ziehen sich an.
• Gegenläufige Stromrichtungen in parallel liegenden Leitungen führen zu einer abstoßenden Wirkung.

Da das Bestreben der Feld-linien darin besteht, immer den kürzesten Weg zu wählen, bzw. den mit den besten magnetischen Leiteigenschaften, entsteht eine Art „Gummibandeffekt“. Dieser führt zu einer anziehenden Kraft auf die Leiter, die von gemeinsamen Feldlinien umgeben sind.

Spulen

Stellt man sich vor, nebeneinander liegende Leiter entstehen dadurch, indem man einen Leiterdraht zu einer zylinder-förmigen Spule aufwickelt. Durch Messungen lässt sich nachweisen, dass sich im Innern dieser Spule eine größere magnetische Feldwirkung befindet (Feldlinienkonzentration in der Luftspule), als außen in der Nähe der Spule (Streufelder). Eine noch größere Konzentration ergibt sich, wenn man die Luft im Innern der Spule durch einen möglichst genau passenden Eisenkern ersetzt. Zudem lässt eine Messung ebenfalls erkennen, dass die Feldwirkung auch mit steigendem Strom größer wird. Nach den schon bei den Permanentmagneten besprochenen Kennzeichnungen, ist bei austretenden Feldlinien der magnetische Nordpol und bei eintretenden Feldlinien der magnetische Südpol.

Anwendung

Anwendungen für dieses elektromagnetische Prinzip (Motor-Prinzip) findet man in der Praxis in fast jedem System oder Gerät, in dem mechanische Bewegung stattfindet und elektrische Energie zu-geführt wird. Dazu gehören z. B. alle Elektromotoren, Hubmagneten (Bild 2), Schütze, Relais, usw. Autor: K.-H. Bleiß Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.