Magnet

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Hintergrund

Ein Magnet ist ein Material, das auf andere Materialien eine spürbare Kraft ausüben kann, ohne diese tatsächlich zu berühren. Diese Kraft wird als Magnetkraft bezeichnet und kann entweder anziehen oder abstoßen. Während alle bekannten Materialien eine Art magnetische Kraft ausüben, ist diese bei den meisten Materialien so gering, dass sie nicht ohne weiteres wahrnehmbar ist. Bei anderen Materialien ist die Magnetkraft viel größer und diese werden als Magnete bezeichnet. Die Erde selbst ist ein riesiger Magnet.

Einige Magnete, sogenannte Permanentmagnete, üben ohne äußeren Einfluss eine Kraft auf Gegenstände aus. Das Bügeleisen Erzmagnetit, auch Magnetit genannt, ist ein natürlicher Dauermagnet. Andere Permanentmagnete können hergestellt werden, indem bestimmte Materialien einer magnetischen Kraft ausgesetzt werden. Wenn die Kraft weggenommen wird, behalten diese Materialien ihre eigenen magnetischen Eigenschaften. Obwohl sich die magnetischen Eigenschaften im Laufe der Zeit oder bei erhöhten Temperaturen ändern können, gelten diese Materialien im Allgemeinen als permanent magnetisiert, daher der Name.

Andere Magnete werden als Elektromagnete bezeichnet. Sie werden hergestellt, indem bestimmte Materialien mit einer Drahtspule umgeben werden. Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule geleitet wird, üben diese Materialien eine magnetische Kraft aus. Wenn der Strom abgeschaltet wird, sinkt die Magnetkraft dieser Materialien auf fast Null. Elektromagnetische Materialien behalten, wenn überhaupt, nur geringe magnetische Eigenschaften ohne einen elektrischen Stromfluss in der Spule.

Alle Magnete haben zwei Punkte, an denen die Magnetkraft am größten ist. Diese beiden Punkte werden als Pole bezeichnet. Bei einem rechteckigen oder zylindrischen Stabmagneten würden sich diese Pole an gegenüberliegenden Enden befinden. Ein Pol wird als Nordpol oder Nordpol bezeichnet, und der andere Pol wird als Südpol oder Südpol bezeichnet. Diese Terminologie spiegelt eine der frühesten Verwendungen von magnetischen Materialien wie Magnetstein wider. An einer Schnur aufgehängt, würde der Nordpol dieser ersten groben Kompasse immer "suchen" oder nach Norden zeigen. Dies half den Seeleuten, die Richtung einzuschätzen, in die sie steuern sollten, um ferne Länder zu erreichen und nach Hause zurückzukehren.

In unserer gegenwärtigen Technologie umfassen Magnetanwendungen Kompasse, Elektromotoren, Mikrowellenherde, münzbetätigte Verkaufsautomaten, Belichtungsmesser für die Fotografie, Autohupen, Fernseher, Lautsprecher und Tonbandgeräte. Sowohl ein einfacher Kühlschrank-Notizenhalter als auch ein komplexes medizinisches Magnetresonanz-Bildgebungsgerät verwenden Magnete.

Verlauf

Natürlich vorkommender magnetischer Magnetstein wurde von den Griechen bereits 500 v. Chr. untersucht und verwendet. Andere Zivilisationen haben vielleicht schon früher davon gewusst. Das Wort Magnet leitet sich vom griechischen Namen magnetis lithos, ab der Stein von Magnesia, der sich auf die Region an der ägäischen Küste in der heutigen Türkei bezieht, in der diese magnetischen Steine ​​​​gefunden wurden.

Die erste Verwendung eines Magnetsteins als Kompass wird allgemein in Europa um n. Chr. vermutet 1100 bis n. Chr. 1200. Der Begriff Magnetstein kommt aus dem Angelsächsischen und bedeutet „führender Stein“ oder wörtlich „der Stein, der führt“. Das isländische Wort ist leider-stein, und wurde in Schriften dieser Zeit in Bezug auf die Schifffahrt verwendet.

Im Jahr 1600 bestätigte der englische Wissenschaftler William Gilbert frühere Beobachtungen bezüglich magnetischer Pole und kam zu dem Schluss, dass die Erde ein Magnet ist. 1820 entdeckte der niederländische Wissenschaftler Hans Christian Oersted den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus, und der französische Physiker Andre Ampere erweiterte diese Entdeckung 1821 weiter.

In den frühen 1900er Jahren begannen Wissenschaftler, andere magnetische Materialien als solche auf der Basis von Eisen und Stahl zu untersuchen. In den 1930er Jahren hatten Forscher die ersten leistungsstarken Permanentmagnete aus einer Alnico-Legierung hergestellt. Noch leistungsfähigere Keramikmagnete mit Seltenerdelementen wurden in den 1970er Jahren mit weiteren Fortschritten in diesem Bereich in den 1980er Jahren erfolgreich formuliert.

Heute können magnetische Materialien je nach Endanwendung für viele verschiedene Leistungsanforderungen hergestellt werden.

Rohstoffe

Bei der Herstellung von Magneten sind die Rohstoffe oft wichtiger als der Herstellungsprozess. Die in Permanentmagneten verwendeten Materialien (manchmal als harte Materialien bezeichnet, was die frühe Verwendung von legierten Stählen für diese Magnete widerspiegelt) unterscheiden sich von den Materialien, die in Elektromagneten verwendet werden (manchmal als weiche Materialien bezeichnet, was die Verwendung von weichem, formbarem Eisen widerspiegelt) Diese Anwendung).

Permanentmagnetmaterialien

Permanentmagnet-Steinsteine ​​enthalten Magnetit, ein hartes, kristallines Eisen-Ferrit-Mineral, das seinen Magnetismus aus der Wirkung des Erdmagnetfeldes auf es bezieht. Auch verschiedene Stahllegierungen können magnetisiert werden. Der erste große Schritt zur Entwicklung effektiverer Permanentmagnetmaterialien erfolgte in den 1930er Jahren mit der Entwicklung von Alnico-Legierungsmagneten. Diese Magnete haben ihren Namen von den chemischen Symbolen für die Aluminium-Nickel-Kobalt-Elemente, die zur Herstellung der Legierung verwendet werden. Einmal magnetisiert haben Alnico-Magnete die 5- bis 17-fache Magnetkraft von Magnetit.

Keramische Dauermagnete werden aus fein gepulvertem Barium-Ferrit oder Strontium-Ferrit hergestellt, das unter Hitze und Druck geformt wird. Ihre magnetische Stärke wird durch die Ausrichtung der Pulverpartikel mit einem starken Magnetfeld während der Umformung erhöht. Keramikmagnete sind hinsichtlich der Magnetkraft mit Alnico-Magneten vergleichbar und haben den Vorteil, dass sie ohne nennenswerte Bearbeitung in verschiedene Formen gepresst werden können.

Flexible Permanentmagnete bestehen aus pulverisiertem Bariumferrit oder Strontiumferrit, gemischt mit einem Bindematerial wie Gummi oder einem flexiblen Kunststoff wie Polyvinylchlorid.

In den 1970er Jahren entwickelten Forscher Dauermagnete aus pulverisiertem Samarium-Kobalt, das unter Hitze verschmolzen wurde. Diese Magnete machen sich den Umstand zunutze, dass die Anordnung der Atomgruppen, sogenannten magnetischen Domänen, in den hexagonalen Kristallen dieses Materials tendenziell magnetisch ausgerichtet ist. Aufgrund dieser natürlichen Ausrichtung können Samarium-Kobalt-Magnete so hergestellt werden, dass sie 50-mal stärkere magnetische Kräfte erzeugen als Magnetit. Kopfhörer für kleine, persönliche Stereosysteme verwenden Samarium-Kobalt-Permanentmagnete. Samarium-Kobalt-Magnete haben auch den Vorteil, dass sie bei höheren Temperaturen als andere Permanentmagnete betrieben werden können, ohne ihre magnetische Stärke zu verlieren.

Ähnliche Permanentmagnete wurden in den 1980er Jahren aus pulverisiertem Neodym-Eisen-Bor hergestellt, das fast 75-mal stärkere Magnetkräfte erzeugt als Magnetit. Dies sind die leistungsstärksten Permanentmagnete, die heute im Handel erhältlich sind.

Elektromagnetische Materialien

In Elektromagneten werden am häufigsten reines Eisen und Eisenlegierungen verwendet. In Niederfrequenz-Leistungstransformatoren werden Siliziumeisen und speziell behandelte Eisen-Kobalt-Legierungen verwendet.

Bei der Herstellung von Magnetbändern zur Ton- und Datenaufzeichnung wird häufig ein spezielles Eisenoxid, das sogenannte Gamma-Eisenoxid, verwendet. Andere Materialien für diese Anwendung umfassen Die obigen Abbildungen zeigen ein typisches pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung leistungsstarker Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete. kobaltmodifizierte Eisenoxide und Chromdioxid. Das Material wird fein gemahlen und mit einer dünnen Polyester-Kunststofffolie beschichtet.

Andere magnetische Materialien

Magnetische Flüssigkeiten können durch Einkapseln von pulverförmigen Bariumferritpartikeln in eine einzelne Molekülschicht eines langkettigen Polymerkunststoffs hergestellt werden. Die Partikel werden dann in einer Flüssigkeit wie Wasser oder Öl in Suspension gehalten. Durch die Kunststoffummantelung gleiten die Magnetpartikel nahezu reibungsfrei übereinander. Die Partikel sind so klein, dass normales thermisches Rühren in der Flüssigkeit verhindert, dass sich die Partikel absetzen. Magnetische Flüssigkeiten werden in mehreren Anwendungen verwendet als Dichtmittel, Schmiermittel oder schwingungsdämpfende Materialien.

Der Herstellungsprozess
Prozess

So wie sich die Materialien bei verschiedenen Magnetarten unterscheiden, unterscheiden sich auch die Herstellungsverfahren. Viele Elektromagnete werden unter Verwendung von Standard-Metallgusstechniken gegossen. Flexible Permanentmagnete werden in einem Kunststoffextrusionsverfahren geformt, bei dem die Materialien vermischt, erhitzt und unter Druck durch eine geformte Öffnung gepresst werden.

Einige Magnete werden unter Verwendung eines modifizierten pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt, bei dem fein pulverisiertes Metall Druck, Hitze und magnetischen Kräften ausgesetzt wird, um den endgültigen Magneten zu bilden. Hier ist ein typisches pulvermetallurgisches Verfahren, das verwendet wird, um leistungsstarke Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete mit einer Querschnittsfläche von etwa 3-10 Quadratzoll (20-65 cm²) herzustellen:

Vorbereitung des Metallpulvers

• 1 Die entsprechenden Mengen an Neodym, Eisen und Bor werden im Vakuum zum Schmelzen erhitzt. Das Vakuum verhindert jede chemische Reaktion zwischen Luft und den schmelzenden Materialien, die die endgültige Metalllegierung verunreinigen könnte.
• 2 Sobald das Metall abgekühlt und erstarrt ist, wird es zerkleinert und in kleine Stücke zerkleinert. Die kleinen Stücke werden dann in einer Kugelmühle zu einem feinen Pulver gemahlen.

Drücken von

• 3 Das pulverisierte Metall wird in eine Form, eine sogenannte Matrize, gegeben, die die gleiche Länge und Breite (oder Durchmesser bei runden Magneten) wie der fertige Magnet hat. Auf das pulverförmige Material wird eine magnetische Kraft ausgeübt, um die Pulverpartikel auszurichten. Während die Magnetkraft aufgebracht wird, wird das Pulver von oben und unten mit hydraulischen oder mechanischen Stößeln gepresst, um es auf etwa 0,125 Zoll (0,32 cm) seiner endgültigen beabsichtigten Dicke zu komprimieren. Typische Drücke betragen etwa 10.000 psi bis 15.000 psi (70 MPa bis 100 MPa). Einige Formen werden hergestellt, indem das pulverförmige Material in einen flexiblen, luftdichten, evakuierten Behälter gegeben und mit Flüssigkeits- oder Gasdruck in Form gepresst wird. Dies wird als isostatische Verdichtung bezeichnet.

Heizung

• 4 Der komprimierte "Schnecken" aus pulverisiertem Metall wird aus der Matrize entfernt und in einen Ofen gegeben. Der Prozess des Erhitzens von komprimierten Pulvermetallen, um sie in geschmolzene, feste Metallstücke zu verwandeln, wird als Sintern bezeichnet. Der Prozess besteht in der Regel aus drei Phasen. In der ersten Stufe wird das komprimierte Material auf eine niedrige Temperatur erhitzt, um Feuchtigkeit oder andere Verunreinigungen, die während des Pressvorgangs möglicherweise eingeschlossen wurden, langsam auszutreiben. In der zweiten Stufe wird die Temperatur auf etwa 70-90% des Schmelzpunktes der Metallegierung erhöht und dort für einen Zeitraum von mehreren Stunden oder mehreren Tagen gehalten, damit die kleinen Partikel miteinander verschmelzen können. Abschließend wird das Material in kontrollierten, schrittweisen Temperaturschritten langsam abgekühlt.

Glühen

• 5 Das gesinterte Material durchläuft dann einen zweiten kontrollierten Erwärmungs- und Abkühlungsprozess, der als Glühen bezeichnet wird. Durch diesen Prozess werden Restspannungen im Material abgebaut und verstärkt.

Abschluss

• 6 Das geglühte Material kommt der gewünschten Endform und -abmessung sehr nahe. Dieser Zustand wird als "Nearnet"-Form bezeichnet. Ein abschließender Bearbeitungsprozess entfernt überschüssiges Material und erzeugt bei Bedarf eine glatte Oberfläche. Anschließend wird das Material mit einer Schutzbeschichtung versehen, um die Oberflächen zu versiegeln.

Magnetisieren

• 7 Bis jetzt ist das Material nur ein Stück komprimiertes und verschmolzenes Metall. Obwohl es beim Pressen einer magnetischen Kraft ausgesetzt war, magnetisierte diese Kraft das Material nicht, sondern reihte die losen Pulverpartikel einfach auf. Um daraus einen Magneten zu machen, wird das Stück zwischen die Pole eines sehr starken Elektromagneten gelegt und in die gewünschte Magnetisierungsrichtung ausgerichtet. Der Elektromagnet wird dann für eine gewisse Zeit erregt. Die Magnetkraft richtet die Atomgruppen oder magnetischen Domänen innerhalb des Materials aus, um das Stück zu einem starken Permanentmagneten zu machen.

Qualitätskontrolle

Jeder Schritt des Herstellungsprozesses wird überwacht und kontrolliert. Die Sinter- und Glühprozesse sind für die endgültigen mechanischen und magnetischen Eigenschaften des Magneten besonders kritisch, und die Variablen Zeit und Temperatur müssen genau kontrolliert werden.

Gefährliche Materialien,
Nebenprodukte und
Recycling

Barium und die Bariumverbindungen, die zur Herstellung von Bariumferrit-Dauermagneten verwendet werden, sind giftig und gelten als giftige Materialien. Unternehmen, die Bariumferrit-Magnete herstellen, müssen bei der Lagerung, Handhabung und Entsorgung der Bariumprodukte besondere Vorsichtsmaßnahmen treffen.

Elektromagnete können normalerweise recycelt werden, indem die Eisenkerne und die Kupferdrähte der Spule in der Spule gerettet werden. Ein teilweises Recycling von Permanentmagneten kann erreicht werden, indem sie aus veralteten Geräten entfernt und in ähnlichen neuen Geräten wieder verwendet werden. Dies ist jedoch nicht immer möglich, und es muss ein umfassenderer Ansatz zum Recycling von Permanentmagneten entwickelt werden.

Die Zukunft

Forscher suchen weiterhin nach noch stärkeren Magneten als den heute verfügbaren. Eine der Anwendungen leistungsstärkerer Permanentmagnete wäre die Entwicklung kleiner, drehmomentstarker Elektromotoren für batteriebetriebene Industrieroboter und Laptop-Computer-Festplattenlaufwerke. Stärkere Elektromagnete könnten für das Schweben und den Antrieb von Hochgeschwindigkeitszügen mit gepulsten Magnetfeldern verwendet werden. Solche Züge, manchmal Magnetschwebebahnen genannt, würden von einer zentralen, magnetischen "Schiene" getragen und geführt. Sie würden sich bewegen, ohne jemals die Schiene zu berühren, wodurch mechanische Reibung und Geräusche vermieden werden. Gepulste Magnetfelder könnten auch verwendet werden, um Satelliten ins All zu bringen, ohne auf teure und schwere Trägerraketen angewiesen zu sein.

Stärkere Magnete könnten auch als Forschungswerkzeuge verwendet werden, um andere neue Materialien und Verfahren zu entwickeln. In der Kernfusionsforschung werden derzeit intensive, gepulste Magnetfelder verwendet, um das heiße, reagierende Kernplasma einzudämmen, das sonst jedes Festkörpergefäß schmelzen würde. Magnetfelder können auch in der Materialforschung verwendet werden, um das Verhalten von Halbleitern zu untersuchen, die in der Elektronik verwendet werden, um die Auswirkungen der Herstellung von integrierten Mikroschaltungen zu bestimmen.