• Aluminium-Nickel-Cobalt
• Austauschwechselwirkung

Anziehungskraft und Abstoßungskraft eines Magneten

Wenn sich ein Magnet einem ferromagnetischen Material annähert, wirkt zwischen den beiden Körpern eine anziehende magnetische Kraft. Diese ist schon bei kleinen Magneten so stark, dass man sie deutlich spüren kann. Die Ursache einer magnetischen Kraft sind kleine elektrische Ströme bzw. bewegte Ladungen: Winzige Kreisströme auf atomarer Ebene sind in einem Dauermagneten dafür verantwortlich, dass dieser eine magnetische Kraft ausübt. Elektromagneten wiederum funktionieren nur durch eine Spule, durch welche ein Strom bzw. eine bewegte Ladung fließt. In der Elektrostatik gibt es elektrische Kräfte, welche wiederum von ruhenden Ladungen ausgehen und zugleich auf andere Ladungen wirken. Außerdem ist in der Elektrostatik auch dann ein elektrisches Feld vorhanden, wenn nur ein Pol vorhanden ist.

Die drei Grundkräfte in der Physik
Eine magnetische Kraft beschreibt die Krafteinwirkung, welche zwischen zwei bewegten Ladungen existiert.
Die Basis aller Kraftwirkungen in der Physik bilden die drei Grundkräfte: Kernkraft, Gravitation und Elektromagnetismus.

Die Kernkräfte spielen in den Atomen selbst eine Rolle und sind der Grund dafür, dass diese wortwörtlich nicht „auseinanderfliegen“ - im normalen Alltag bekommt man davon eigentlich nichts mit. Eine Ausnahme gibt es eventuell: Mit der gerade am Anfang der Erschließung stehenden Energiequelle der Kernfusion könnte die Bedeutung von Kernkräften und die Vorstellung davon eine weitaus größere Anzahl von Menschen direkt erreichen.

Hier kann sich immerhin jeder etwas darunter vorstellen: Die Gravitationskräfte spielen bei sehr großen Massen eine Rolle – beispielsweise wird der Mond durch die Gravitationskraft zwischen Erde und Mond auf eine Kreisbahn um die Erde gezwungen. Gäbe es die Gravitationskraft nicht, würde der Mond tangential zu seiner Kreisbahn davonfliegen, ebenso wie die Menschen und alle anderen Körper auf der sich drehenden Erde.

Da sich die Kernkräfte außerhalb unserer direkten Wahrnehmung befinden und die Gravitation nur dann eine Rolle spielt, wenn es um die Gewichte von Körpern auf der Erde geht, sind alle anderen Kräfte die sich sonst auf irgendeine Art und Weise messen lassen elektromagnetischer Natur – zum Beispiel die Anziehung wischen einer positiven und negativen Ladung oder zwischen Nord- und Südpol zweier Magnete. Eine positive elektrische Punktladung und eine negative elektrische Punktladung ziehen sich gegenseitig an. Genauso gut würden sich gleichnamige elektrische Ladungen abstoßen. Zwischen den beiden Ladungen existiert demnach ein sogenanntes elektrisches Feld, welches mit Feldlinien verbildlicht werden kann. Dieses elektrische Feld geht allerdings auch von einer einzelnen Ladung aus. Wenn es aber um Magnete geht, kann nicht von magnetischen Ladungen gesprochen werden. Zudem existiert ein Südpol oder Nordpol niemals alleine. Stattdessen werden magnetische Kräfte durch winzige Kreisströme und den daraus resultierenden magnetischen Momenten auf atomarer Ebene ausgelöst.
Der Elektronenspin des freien Elektrons eines jeden Atoms ist in der Regel der stärkste Elementarmagnet des Materials. Wenn ein Großteil der magnetischen Momente bzw. der Elementarmagnete parallel ausgerichtet sind, ist von einer Magnetisierung die Rede. Sodann hat das Material einen Nord- und einen Südpol – die beiden Pole koexistieren stets, bedingt durch die Ausrichtung der einzelnen Spins. Die magnetischen Kräfte wiederum wirken stets entlang des Magnetfeldes zwischen Nord- und Südpol. Es kann ebenfalls durch Feldlinien illustriert werden. Mit der Dichte dieser Feldlinien steigt die magnetische Kraft. Ferner zeigen die Feldlinien außerhalb des Magneten stets vom Nord- zum Südpol.

Magnetisierung, Entmagnetisierung und Austauschwechselwirkung
Um die einzelnen Elementarmagnete kontrolliert auszurichten, bedarf es eines Magnetfeldes. Bringt man einen ferromagnetischen Körper in ein solches Magnetfeld ein, so richten sich die magnetischen Momente nach diesem aus. Die Ausrichtung der einzelnen Elementarmagnete wird durch die Austauschwechselwirkung fixiert – jedoch nur bei ferromagnetischen Materialien. Wird das äußere Magnetfeld nach der Ausrichtung der Elementarmagnete wieder entfernt, so sorgt die Austauschwechselwirkung eben dafür, dass die Ausrichtung beständig bleibt. Es ist an dieser Stelle nur logisch, dass die Ausrichtung wieder zerstört werden kann: Dafür muss die Energie der Austauschwechselwirkung überwunden werden. Dies kann durch Zuführung thermischer, magnetischer oder mechanischer Energie geschehen. Ein starker Schlag, ein starkes entgegengesetztes äußeres Magnetfeld oder eine hohe Temperatur des Materials können demnach für eine Entmagnetisierung sorgen.

Lorentzkraft
Die Lorentzkraft bezeichnet die Kraft, welche auf eine bewegte Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Die Lorentzkraft steht senkrecht zum Magnetfeld und zur Bewegungsrichtung der Ladung, insofern beide nicht parallel zueinander verlaufen.

Der Grund, warum elektrische und magnetische Kräfte unter dem Elektromagnetismus zusammengefasst werden sind die Ladungen und die Kräfte, die sie bei unterschiedlichen Bewegungszuständen verursachen: Ladungen in einem bewegten Zustand verursachen magnetische Kräfte und Ladungen im Ruhezustand elektrische Kräfte. Durch die Elektrodynamik wird dieser Übergang zwischen beiden Kräfte durch einen Übergang zwischen beiden Bewegungszuständen beschrieben. Die magnetischen Kräfte können auch auf Basis des Prinzips des geringstmöglichen Energiezustandes verstanden werden: So fällt ein Körper beispielsweise deswegen zu Boden, weil die potentielle Energie dort am geringsten ist. Ebenso lässt sich die Energie in einem System, bestehend aus zwei Magneten, welche sich in einem Abstand gegenüberstehen, minimieren: So befindet sich zwischen den beiden Magneten magnetische Energie, welche jeweils durch das Energieprodukt beschrieben wird. Die Feldenergie in der Luft wird mit einer Annäherung beider Magnete immer kleiner. Sobald sich die beiden Magnete berühren, sind der Luftraum und damit auch die magnetische Kraft darin minimal. Bei der Annäherung der Magnete ist die Änderung dieser magnetischen Energie also proportional zu der Kraft, was durch folgende Formel mit der Kraft F und dem Energiepotenzial U ausgedrückt werden kann: (0)

Ist dabei der Änderungsvektor der Raumrichtungen. Wenn die Energieänderung des Energiepotenzials in einer Richtung besonders stark ist, wirkt in eben diese Richtung auch eine besonders starke Kraft. Die Maxwellgleichungen beschreiben die Abhängigkeit zwischen Strömen und Ladungen und elektrischen und magnetischen Feldern. Sie sind jedoch sehr aufwändig zu lösen. Eine Näherungsformel wäre beispielsweise die Berechnung einer magnetischen Kraft anhand der Oberfläche von einem Elektromagneten in Zylinderform. Das Magnetfeld H wird dabei zunächst über folgende Näherung berechnet. R ist dabei der Radius und l (kleines L) die Länge der Spule. Der Buchstabe I (großes i) wiederum bezeichnet den Strom, der durch die Spule fließt: (1)

Aus einem Magnetfeld H kann die magnetische Flussdichte B mit der magnetischen Permeabilität µ des Materials und der magnetischen Permeabilität des Vakuums folgendermaßen bestimmt werden: (2)

Die Kraft F eines zylinderförmigen Magneten wiederum berechnet sich nach der folgenden Formel, mit der Polfläche A: (3)

Ferner ist die Polfläche des Zylinders: (4)

Setzt man (2) in (3) ein, bekommt man folgendes: (5)

Unter Verwendung von (4) ergibt sich dann: (6)

Nun setzen wir (1) in (6) und bekommen unsere Formel für unsere zylinderförmige Spule mit der Länge l und dem Radius R: (7)

Für eine 5 cm lange Spule mit 1000 Windungen und mit dem Radius 4 cm, die von einem Strom von 15 A durchflossen wird, ergäbe sich damit eine Kraft von etwa 159,7 Newton. Auf ein realistisches Beispiel übertragen würde das bedeuten, dass eine solche Spule bzw. ein solcher Elektromagnet etwa 16 kg heben kann. Für eine solche Spule und vor allem für den großen Strom ist das nicht besonders viel. Zur Verstärkung des Magnetfeldes bzw. der magnetischen Energie kann in diesem Zuge ein Eisenkern eingesetzt werden. Durch die sodann höhere magnetische Permeabilität µ erhöht sich die magnetische Kraftwirkung um genau µ-Vielfache.