123.1 Magnetmodell der Weiss’schen Bezirke. In kleinen Bereichen sind die Magnetnadeln parallel, ohne Magnetfeld weisen die Bereiche aber keine Vorzugsrichtung auf. Ferromagnetismus Die Verstärkung des Magnetfelds der Spule durch einen Eisenkern ermöglicht es, mit Elektromagneten starke Magnetfelder herzustellen und sie technisch zu nutzen. Wie lässt sich die Verstärkung des Spulenfelds durch den Eisenkern erklären? Ampère nahm die Existenz atomarer Kreisströme an, die sich im angelegten Magnetfeld parallel richten und dadurch das Feld verstärken. Die moderne Erklärung des Ferromagnetismus modifiziert Ampères Hypothese. Wegen des besonderen Aufbaus ihrer Elektronenhüllen verhalten sich Fe-, Co- und Ni-Atome sowie Legierungen aus seltenen Erden wie kleine Magnete. Durch die Wärmebewegung ist die Ausrichtung einzelner Atome im Kristallgitter in der Regel völlig ungeordnet und ruft daher kein messbares Magnetfeld hervor. Im Kristallverband können sich jedoch mikroskopische Bereiche mit paralleler Ausrichtung, Weiss’sche Bezirke, bilden (123.1, 123.2). Wegen der zufälligen Magnetisierungsrichtungen der einzelnen Bezirke erscheint der Kristall zunächst unmagnetisiert. Beim Anlegen eines Magnetfelds, z. B. durch Einschalten eines Stroms durch die Spule, vergrößern sich die Bereiche mit einer zum Feld parallelen Magnetisierung auf Kosten anderer Bereiche, bis eine vollständig parallele Ausrichtung erreicht ist (122.4). Das Gesamtfeld setzt sich daher aus zwei Anteilen zusammen, dem durch den Strom I hervorgerufenen Anteil µ 0IN/l und einem ebenfalls zum Strom I proportionalen Anteil der Weiss’schen Bezirke. B bleibt daher zum Strom durch die Windungen der Spule proportional, der Proportionalitätsfaktor µ r wird als relative Permeabilität bezeichnet. B = B (ohne Kern) + B (Weiss’sche Bezirke) = μ r μ 0 I N _ l . Bringt man einen Eisenkern in eine Spule, so richten sich die Weiss’schen Bezirke parallel zum Magnetfeld der Spule aus und verstärken es. Die Weiss’schen Bezirke sind nicht nur eine Modellvorstellung, sie lassen sich beispielsweise im Mikroskop sichtbar machen. In Stahl lassen sich die Weiss’schen Bezirke besonders schwer ausrichten. Wenn sie einmal durch ein starkes Magnetfeld parallel gerichtet wurden, behalten sie großteils ihre Orientierung auch dann, wenn das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird – der Stahl ist zum Permanentmagneten geworden. Selbst bei Weicheisen bleibt stets eine Restmagnetisierung, die man als Remanenz bezeichnet. Wie bei jeder Ordnung im atomaren Bereich wirkt auch beim Permanentmagneten die thermische Bewegung der parallelen Ausrichtung der elementaren Magnete entgegen. Beim Erwärmen über eine materialspezifische Temperatur (Curiepunkt, bei Eisen 770 °C) wird die Ausrichtung zerstört und das Material hört auf, ferromagnetisch zu sein. Erwärmung von Permanentmagneten über den Curiepunkt zerstört die ferromagnetischen Eigenschaften. Ferromagnetische Stoffe (µ r h 1, typisch 10 000): In der Anwendung spielen neben Eisen, Eisen-Nickel-Legierungen und verschiedenen Stählen die Ferrite eine wichtige Rolle. Sie werden aus Eisen-, Nickel- oder Manganoxiden gesintert. (Beim Sintern werden die zu Pulver vermahlenen Stoffe zunächst in die gewünschte Form gepresst und durch Erhitzen „zusammengebacken“.) Besonders starke Permanentmagnete sind die Neodym-Eisen-Bor-Magnete (123.3). Sie werden z. B. in Generatoren von Windkraftanlagen statt Magnetspulen verwendet. Sie werden auch für Hobbyanwendungen vertrieben, doch wird ihre beträchtliche Stärke oft unterschätzt, was zu schweren Verletzungen führen kann. Die Gewinnung des Rohstoffs führt im Hauptherkunftsland China zu schweren Umweltschäden. 123.2 „Weiss’sche Bezirke“ im Kristallverband bei zunehmender Stärke eines äußeren Magnetfeldes. Feld 0 Feld Feld 123.3 Der kleine Magnetwürfel aus Neodym hält die Cent-Münzen aus Stahl mit einer Kraft von 10 N. 123.4 Der Meißnereffekt: Supraleiter verdrängen aus ihrem Inneren Magnetfelder. Auf eine Probe aus supraleitendem Material wird ein Magnet gelegt. Beim Abkühlen unter den Sprungpunkt (Einsetzen der Supraleitung des Materials) wird das Magnetfeld aus dem Supraleiter verdrängt. Dadurch hebt sich der Magnet und schwebt. 123 Felder 5 Elektrischer Strom und Magnetfeld Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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