Einsatztemperatur

Permanentmagnete haben eine maximale Einsatztemperatur – sie können also nicht jeder Temperatur standhalten. Das liegt daran, dass hohe Temperaturen die Elementarmagneten, die parallel ausgerichtet für das Magnetfeld sorgen, wieder neu durchmischen. Das Magnetfeld verschwindet bei hohen Temperaturen deshalb. Für jeden Magneten ergibt sich auf dieser Basis eine maximale Einsatztemperatur, die vom Hersteller angegeben wird - normalerweise in Form eines Buchstabens in der Gütebeschreibung.

Magnetisierung
Materialien mit ferromagnetischen Eigenschaften werden durch ein äußeres Magnetfeld magnetisiert. Der Verbleib einer Permanenz nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes sorgt dafür, dass das Material magnetisch bleibt. Es kann so selbst als Magnet fungieren. Bei hohen Temperaturen verschwindet diese Remanenz, wodurch die Magnetisierung verschwindet. Zur Vermeidung einer Entmagnetisierung darf eine gewisse Einsatztemperatur nicht überschritten werden. Wird diese Temperatur überschritten, kann es mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Entmagnetisierung des Materials bzw. des Magneten kommen. Dieser muss dann, nachdem er abgekühlt ist, neu magnetisiert werden.

Physikalischer Hintergrund der Remanenz
Um den Effekt der Magnetisierung von ferromagnetischer Materie zu verstehen, betrachtet man am besten den physikalischen Hintergrund von Remanenz. Leicht verständlich kann Remanenz anhand der mikroskopischen Betrachtung eines Atoms und dessen Magnetisierung erklärt werden:

An jedem Atom gibt es ein durch den Elektronenspin von einem ungeplanten Elektron verursachtes, magnetisches Moment. Dieses Moment wirkt mit einem kleinen Magnetfeld wie ein Magnet. Es hat einen Nord- und einen Südpol. Die Spins der ungepaarten Elektronen der vielen Atome werden, durch das äußere Magnetfeld und dessen einwirkende Kraft auf das magnetische Moment, gedreht. Sie richten sich parallel zu dem äußeren Magnetfeld aus. Durch die sogenannte Austauschwechselwirkung zwischen den einzelnen Elektronenspins kommt es nach der Ausrichtung der magnetischen Momente zu einer Stabilisierung dieser Ausrichtung. Dies geschieht nur in ferromagnetischen Materialien bzw. Materie mit ferromagnetischen Eigenschaften. Der Hintergrund der Austauschwechselwirkung ist das niedrige Energieniveau bei der Parallelstellung aller Elektronenspins. Die Wechselwirkung jedoch hat eine begrenzte Stärke, schließlich sind die Elektronen beweglich. Die Elektronenspins können durch einen äußeren Einfluss neu ausgerichtet werden. Es liegt nahe, dass das ausgerichtete System der Elektronenspins durch eine starke Störung wieder durchmischt werden kann. Dazu muss lediglich die Austauschwechselwirkung zwischen den einzelnen Spins überwunden werden.

Dies kann auf drei verschiedenen Wegen geschehen:

  • Ein äußeres Magnetfeld: Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, das den Spins der Elektronen entgegen gerichtet ist, können diese ihre Ausrichtung ändern. Dazu muss das Magnetfeld jedoch stark genug sein.

  • Mechanischer Stoß: Durch eine plötzliche, starke Kraft ist es ebenfalls möglich, einen Magneten zu entmagnetisieren.

  • Thermische Energie: Wie bereits grundlegend erklärt, besteht die dritte Möglichkeit der Aufhebung der Magnetisierung darin, das ferromagnetische Material zu erwärmen. Mit der Erwärmung des Magneten steigen die Temperatur und damit die Bewegungsenergie jedes einzelnen Atoms. Dadurch steigt auch die Bewegung der Elektronenspins. Trotz Austauschwechselwirkung kann ein Elektronenspin die parallele Ausrichtung zu den anderen verlassen. Die Wahrscheinlichkeit für diesen Effekt steigt mit der Temperatur. Sobald die thermische Energie die Austauschwechselwirkung überschreitet, ordnen sich alle eigentlich ausgerichteten Elektronenspins rasch und zufällig um. Die Temperaturschwelle für die rasche Umwandlung heißt Curie-Temperatur - sie gibt an, ab wann ein Ferromagnet plötzlich zum Paramagneten wird. Die Remanenz sinkt oberhalb dieser Temperatur auf 0. Wie auch die Austauschwechselwirkung ist die Curie-Temperatur materialabhängig: Für Eisen liegt sie bei 769 °C, für Nickel bei 358 °C und für Kobalt bei 1127 °C.

Grundsätzlich darf die maximale Einsatztemperatur die Curie-Temperatur demnach nicht überschreiten. Jedoch wurde auch erklärt, dass es bereits vor dem Erreichen der Curie-Temperatur eine Wahrscheinlichkeit gibt, mit der sich einzelne Elektronenspins um ordnen. Um dies zu vermeiden, liegt die angegebene Einsatztemperatur meist etwas weiter unterhalb der Curie-Temperatur. Doch nicht nur die Wahrscheinlichkeit für eine Entmagnetisierung ist der Grund dafür: Mit steigenden Temperaturen erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit für Materialverzerrungen oder Instabilitäten im Material. Deshalb wird die maximale Einsatztemperatur so gewählt, dass einerseits keine Entmagnetisierung des Magneten auftritt, andererseits aber auch keine Risse oder andere Gitterfehler auftreten.

Die maximale Einsatztemperatur eines Magneten wird in der Güte durch einen Buchstaben charakterisiert.

„50M“ steht zum Beispiel für ein Energieprodukt mit 50 MegaGaussOersted (dafür die 50) bei einer maximalen Einsatztemperatur von 100 °C (dafür das M).
„N“ wiederum steht für 80 °C,
„H“ für 120,
„SH“ für 150 und
„UH“ für 180 °C.
„EH“ steht sogar für 200 °C.


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