Die Geschichte der Magnete

Die lange Geschichte der Magnete und der Entdeckung des Magnetismus begann mit dem erstmaligen Fund von Magnetsteinen. Einen wirklichen Erfinder von Magneten kann man nicht benennen, da es natürlich vorkommende Materialien mit magnetischen Eigenschaften gibt, die vielmehr entdeckt als erfunden worden sind. Der Name Magnet leitet sich wahrscheinlich von frühen Fundorten in der Region Magnesia in Griechenland ab. Die Entdeckung der Magnete wird in vielen Erwähnungen Herrn Thales von Millet zugespielt. Der griechische Naturphilosoph soll laut den Sagen 600 v. Chr. die ersten Magnetsteine entdeckt haben. Er war stets mit seinen Forschungen beschäftigt und studierte die Anziehungskräfte zwischen Magneten und einem Harzbernstein.

Das schwarze Mineral aus Eisen und Sauerstoff wird als Eisenhydroxid bezeichnet und entstand auf natürliche Weise durch den Vulkanismus. Heute sind über 9.600 Fundstellen nachgewiesen.
Die Entdeckung der Magnetsteine hat die gesamte Welt verändert. Dank moderner Forschung und weiterer Untersuchungen des Magnetismus in der Physik kommen Magnete heute in vielseitigen und unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz. Sie finden beispielsweise in diesen Bereichen Einsatz:

• Festplatten
• Elektromotoren
• Computermonitore
• Fernsehgeräte
• Mikrofone
• Lautsprecher

Die Magnetsteine haben mittlerweile allerdings auch Anwendung in Spielzeugen und Schmuck gefunden.

Wo wurden die ersten Magnete verwendet?

Der natürliche Magnetstein ist kein richtiger Stein, sondern vielmehr ein magnetisiertes Eisenoxid. Im 3. Jahrhundert vor Christus erwähnen Quellen aus China das erste Mal das anziehende Phänomen. Der Magnetstein wurde oft als liebender Stein bezeichnet. Die Bewohner Chinas gaben dem Stein diesen speziellen Namen, da er Eisen anzieht, wie eine liebevolle Mutter ihre Kinder.

Zur ältesten bekannten Nutzung von Magnetismus in der Geschichte zählt der Kompass.
Die Chinesen verwendeten 200v. Chr.  einen Kompass, der über einen nach Süden ausgerichteten Magnetit-Löffel verfügte. Dieser zeigte alle vier Richtungen an. Zu dieser Zeit wurde der damalige Urkompass wohl eher im Zusammenhang mit Feng-Shui für Weissagungen genutzt. Er sollte hauptsächlich die Ausrichtung unterschiedlicher Gebäude bestimmen.

Der Kompass in der Form, wie wir ihn heute kennen, findet seine ersten Erwähnungen im ersten Jahrhundert nach Christus, als eine schwimmende Nadel eingesetzt wurde, um Himmelsrichtungen zu bestimmen. Endlich hatte man herausgefunden, dass sich mit Magneten auch mit anderen Dingen magnetisieren lassen. Eine Eisennadel, die in die Nähe eines Magnetsteins gehalten wird, bekommt ebenfalls magnetische Eigenschaften.
Anschließend kann man die Magnetnadel auf Kork legen. Sobald man den Kork auf eine stille Wasseroberfläche setzt, dreht sich die Nadel immer in zwei bestimmte Himmelsrichtungen – die eine Seite der Nadel zeigt nach Süden in Richtung Südpol, die andere Seite zum Nordpol.

Als Begründer der Erforschung des Magnetismus in der Physik zählt heute Pierre de Maricourt. Er untersuchte Magnetismus erstmals systematisch und hielt am 8. August 1269 die Untersuchungsergebnisse schriftlich fest. Er äußerte folgende Feststellungen:

• gleiche magnetische Pole stoßen sich gegenseitig ab
• durch Zerbrechen entstehen zwei weitere Magnete

Die Erforschung und Anwendung in der Neuzeit

Im Jahre 1600 brachte die wissenschaftliche Erforschung mit dem Werk von William Gilbert weitere Erkenntnisse. In seinem Werk „De Magnete“ beschreibt er die Erde als großen Magneten. Er entdeckte die Analogie des Erdmagnetfeldes zu den unterschiedlichen Magneten. Letztendlich konnte er dank dieser Funktionsweise auch den Kompass detailliert erklären. Zwar war die Verwendung des Kompasses bereits weit verbreitet, der schottische Physiker Herr James Clerk Maxwell konnte jedoch im Jahre 1864 als Erster den Zusammenhang zwischen dem Magnetismus und der Elektrizität begründen. Bis heute sind die von ihm entwickelten Maxwell-Gleichungen bekannt. Sie bilden die Grundlagen der Elektrizitätslehre und des Magnetismus. Seit dem 19. Jahrhundert zählen sie zu den wichtigsten Leistungen der Physik und Mathematik.

Weitere Messungen wie von Henry Gellibrand ergaben, dass das Magnetfeld der Erde nicht statisch ist, sondern sich langsam von Zeit zu Zeit ändert.
In den Anfängen des 19. Jahrhunderts wurde in Göttingen der Magnetische Verein gegründet und Carl Friedrich gelang es nachzuweisen, dass der größte Teil des Erdmagnetfeldes aus dem Erdinneren stammt.

Unterscheidung unterschiedlicher Magnete

Es gibt verschiedene Arten von Magneten. Diese bringen jeweils ihre eigenen Eigenschaften mit sich. Die bekanntesten sind:

• Ferrit-Magnet
• Neodym Magnet
• AINiCo-Magnet
• Samarium-Kobalt- Magnet
• Elektromagnete

Ferrit-Magnete

Die meisten Menschen haben einen Ferrit-Magneten mit Sicherheit schon in Form eines Kühlschrankmagneten in den Händen gehalten.

Ferrit-Magnete erkennt man an ihrer dunklen, schwarzen oder anthrazitfarbenen Färbung. Die Magnete aus Hartferrit zählen heute zu den weit verbreitetsten aller Magnetwerkstoffe. Die eigentlichen Rohstoffe sind Eisendioxid und Strontiumkarbonat. Aus Hartferrit lassen sich isotrope und anisotrope Magnete herstellen. Die Anisotrope Ferritmagnete verfügen über eine deutlich höhere Energiedichte als die isotropen Magnete. Diese ist mehr als 300 Prozent höher. Je nach Ausgangsmaterial lassen sich diese in Bariumferrit und koerzitiven Strontiumferrit unterscheiden.

Zu den wichtigsten Eigenschaften der Ferrit-Dauermagnete zählt die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und die hohen Funktionsfähigkeiten zwischen -40 Grad Celsius und +250 Grad Celsius. Zudem sind sie in einem hohen Maß beständig gegenüber Chemikalien. Darüber hinaus sind sie ungiftig und umweltfreundlich, hinsichtlich der Entsorgung auf Mülldeponien. Ferrit-Magnete können unterschiedlich kategorisiert werden:

Heutzutage finden Permanentmagnete in der Elektrotechnik, Automobil- und Fahrzeugindustrie sowie in der Medizin, im Bergbau und in der Metallurgie Verwendung. Zudem bilden sie den Kern zahlreicher Pinnwandmagnete, die im Büro oder im Hobbybereich zum Einsatz kommen.

Neodym-Magnete

Neodym, kurz gesagt „Nd“ zählt zu den Elementen der seltenen Erden und wurde erstmalig gegen Ende des 18. Jahrhunderts von Carl Auer von Welsbach extrahiert. Dennoch verfügt Neodym über eine entscheidende und wichtige Eigenschaft.
Die Entdeckung von Neodym geht auf Carl Friedrich Auer von Welsbach, Carl Gustav Mosander, Per Teodor Cleve und Lecoq de Boisbaudran zurück. Das reine metallische Neodym wurde jedoch erst im Jahre 1925 dargestellt.
Neodym bildet in einer Legierung mit Bor und Eisen die Verbindung NdFeB – mithilfe dieses Werkstoffes lassen sich heute die stärksten Dauermagneten herstellen. Der Neodym-Magnet besitzt deutlich mehr Energie als der Stahlmagnet AlNiCo und wird daher vor allem dort eingesetzt, wo starke Dauermagneten auf kleinstem Volumen benötigt werden.

Erwähnenswerte Beispiele hierfür sind:

• Generatoren
• Motoren
• Satelliten

Die klassischen Neodym-Magnete werden mit einem „N“ und einer bestimmten Zahl bezeichnet, diese gibt die jeweilige magnetische Stärke an. In der Regel liegen die Werte zwischen N35 und N50. Ein Nachteil der NdFeB Magnete ist ihre enorme Korrosionsanfälligkeit.

AlNiCo-Magnete

Grundsätzlich kann man sagen, dass AlNiCo-Magnete sogenannte Permanent- oder Dauermagnete sind. Der Stahlmagnet wurde 1931 entwickelt. Während dem Produktionsverfahren dieser Magnete werden ferromagnetische Metallstücke durch ein starkes Magnetfeld auf magnetisiert, dadurch werden sie zum Dauermagnet. Ihre Magnetkraft hält demnach über Jahrzehnte an.
Die AlNiCo-Magnete bestehen aus Aluminium, Cobalt und Nickel. Je nach Materialzusammensetzung enthalten sie zudem Eisen, Kupfer und Titan. Durch unterschiedliche Fertigungsverfahren können sowohl isotrope als auch anisotrope Magnete mit verschiedenen magnetischen Werten produziert werden. Derartige Dauermagnete lassen sich ausschließlich mithilfe von Diamantewerkzeug bearbeiten.
Die Dauermagnete sind besonders gut lösungsmittelbeständig, lediglich gegen Säurekonzentrationen von unter 10 Prozent sind sie beständig. Anorganische Säuren wie zum Beispiel Zitronensäure oder Seewasser beschädigen die AlNiCo-Magnete. Dazu verfügen sie über hohe Remanenz und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Zudem können ihnen Öle, organische Lösungsmittel, Alkohole und Benzin nichts anhaben. Die AlNiCo-Magnete lassen sich bei Bedarf umweltfreundlich entsorgen.

Samarium-Kobalt-Magnete

Das Samarium-Kobalt wird mit „SmCo“ abgekürzt und wurde gegen Ende der sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts entwickelt. Hierbei handelt es sich um eine Legierung des Seltenerdmetalls Samarium mit dem Metall Kobalt. Die Kürzel hierfür sind „Sm“ und „Co“. Das Samarium-Kobalt lässt sich in zwei Legierungsstrukturen herstellen – zum einen das SMCo5 ohne Eisenanteil und zum anderen das Sm2Co17 mit einem Eisenanteil von rund 20 bis 25 Prozent.

Samarium-Kobalt zählte in den 70er Jahren zum Werkstoff mit der höchsten, bekannten Energiedichte. Dies hielt an bis zur Entdeckung des Werkstoffes Neodym-Eisen-Bor. Das Pulvermetall Samarium-Kobalt wird unter entsprechenden Wärmebehandlungsbedingungen gesintert. Dadurch kann die vollständige Dichte und die magnetische Orientierung erzielt werden.

Aufgrund der Materialzusammensetzung verfügen die Magnete über ein äußerst starkes Magnetfeld. Hinzukommt, dass sie besonders wenig zur sogenannten Entmagnetisierung neigen. Die hohe Korrosionsbeständigkeit erlaubt eine Erhitzung auf Temperaturen von bis zu 300 Grad Celsius. 

Elektromagnete

Elektromagnete unterscheiden sich grundlegend von Dauermagneten, da ihr Magnetfeld nicht von magnetischem Material abhängt, sondern durch Stromfluss erzeugt wird.

Die Entdeckung des Elektromagnetismus im 19. Jahrhundert durch Hans Christian Oersted legte den Grundstein für die Entwicklung der Elektromagnete.

Die Funktionsweise von Elektromagneten basiert auf der grundlegenden Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus, bekannt als Elektromagnetismus. Wenn elektrischer Strom durch eine Drahtspule (Wicklung) fließt, entsteht ein magnetisches Feld um die Spule. Die Stärke dieses Feldes hängt von der Stromstärke, der Anzahl der Wicklungen und den eingesetzten Materialien ab. Um die Wirkung des Magnetfeldes zu verstärken, wird häufig ein Kern aus ferromagnetischem Material wie Eisen in die Spule eingebracht. Entscheidend dabei sind die sogenannten Pole, die sich je nach Stromrichtung umkehren lassen und so die Funktionsweise steuern. Elektromagnete finden heute Anwendung in zahlreichen Technologien, von der präzisen Steuerung in industriellen Maschinen bis hin zu alltäglichen Geräten wie Lautsprechern oder Türschlössern. Sie ermöglichen uns, die Kraft des Magnetismus gezielt und flexibel einzusetzen.

Der große Vorteil von Elektromagneten gegenüber klassischen Dauermagneten ist, dass ihr magnetisches Feld nur so lange aktiv bleibt, wie Strom fließt. Dadurch können sie gezielt ein- und ausgeschaltet werden, was sie ideal für Anwendungen wie Elektromotoren, Relais oder industrielle Hebemagnete macht.