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Permanentmagnet

Ein Permanentmagnet ist ein Objekt, welches in der Lage ist, ein magnetisches Feld ohne Einwirkung äußerer Einflüsse aufrecht zu erhalten.

Mathematische Grundlagen

Für einen magnetischen Kreis, der lediglich einen Permanentmagneten als Quelle besitzt, wird die Durchflutung zu Null, da keine elektrischen Ströme in dem magnetischen Kreis vorhanden sind:

Für eine korrekte Berechnung der Flussdichte in einem permanentmagnetischen Kreis müssen zwei Felder betrachtet werden. Dies ist zum Einen das äußere Feld, welches durch ein Fremdfeld oder, bei einem offenen Kreis, durch die entmagnetisierende Wirkung der freien Pole verursacht wird. Das zweite Feld wird von den Elementarmagneten des permanentmagnetischen Stoffes verursacht. Es wird als Magnetisierung M bezeichnet. Für die Flussdichte gilt so:

Dabei wird der Begriff der magnetischen Polarisation J definiert als:

Ein Permanentmagnet ist vergleichbar mit einer elektrischen Spannungsquelle. Die Hysteresekurve stellt eine Arbeitskennlinie für den Magneten dar. Der Arbeitsbereich des Magneten liegt im zweiten Quadranten der Hysteresekurve. Die Kennlinie verläuft im Arbeitsbereich in der Regel linear. In Abhängigkeit der ihn umgebenden Materialien stellt sich immer ein bestimmter Arbeitspunkt auf der Kennlinie ein.




Abbildung: Arbeitsgerade eines Permanentmagneten

Für die magnetische Feldstärke im Arbeitspunkt gilt:


Magnetische Werkstoffe

Für die Auswahl der Werkstoffe zur Herstellung eines Magneten ist wichtig, ob dieser hartmagnetisch oder weichmagnetisch sein soll. Permanentmagnete sind üblicherweise hartmagnetisch. Bei hartmagnetischen Werkstoffen sind eine hohe Koerzitivkraft und starke remanente Magnetisierung wichtig. Am besten gelingt dies durch Pressen von feinkörnigem ferromangnetischen Pulver, dem sogenannten Sintern. Durch feines Zermalen und Pressen können zudem aus weichmagnetischen Werkstoffen Bauteile mit hartmagnetischem Verhalten hergestellt werden. Für die Herstellung von Permanentmagneten kommen je nach Anwendungszweck unterschiedliche Werkstoffkombinationen in Frage. Typische Materialien sind Aluminium-Nickel-Cobalt, Hartferrite und Verbindungen mit Seltenerd-Metallen.

Hartferrit-Magnete können aus Barium-Ferrit oder Strontium-Ferrit gefertigt werden. Sie entsprechen in Härte und Sprödigkeit in etwa einem keramischen Werkstoff. Damit sind sie beständig gegen Witterungseinflüsse sowie viele Chemikalien, wie Lösungsmittel, Laugen, Salze und schwache Säuren. Das Verhalten von Hartmagneten ist temperaturabhängig. Hartferrite sind die weltweit am häufigsten eingesetzten Dauermagnete und sehr kostengünstig. Aus Dimensionierungsgründen besitzen Hartferrite immer eine große Magnetpolfläche im Verhältnis zur Dicke in Magnetisierungsrichtung.

Die Elemente von der 57. bis zur 71. Stelle im Periodensystem der Elemente werden als seltene Erden, oder auch Lanthanide bezeichnet. Ihre äußeren Elektronenschalen besitzen gleiche Konstellationen und damit haben sie auch sehr ähnliche chemische Eigenschaften. So sind einige Elemente der seltenen Erden ferromagnetisch, wie zum Beispiel Gadolinium, oder Dysprosium. Die Seltenen Erden finden zunehmend Verwendung bei der Herstellung von Permanentmagneten. Typische Materialkombinationen für Permanentwerkstoffe sind Samarium-Cobalt und Neodym-Eisen-Bor.

Magnete aus Samarium-Cobalt enthalten das Selten-Erd-Metall Samarium und werden durch Sintern hergestellt. Sie sind sehr hart und spröde. Beim Sintern bekommen die Magneten eine Vorzugsrichtung eingeprägt. Nur in diese Richtung lassen sie sich später magnetisieren. Auch bei starken Gegenfeldern werden die magnetischen Werte nicht geschwächt. Außerdem sind sie sehr temperaturbeständig und können bei bis zu 350 °C betrieben werden. Samarium-Cobalt Magnete besitzen sowohl eine hohe Remanenzflussdichte, als auch eine hohe Koerzitivfeldstärke. Die Entmagnetisierungslinie verläuft im zweiten Quadranten sehr linear, aufgrund der sehr starren Magnetisierung. Samarium-Cobalt Magnete werden üblicherweise dort eingesetzt, wo geringe Abmessungen und Gewicht des Magneten bei trotzdem hohem Fluss gefordert werden. Ein Einsatz ist auch sinnvoll, wenn mit starken entmagnetisierenden Feldern gerechnet werden muss. Eine der wichtigsten Verbindungen, die hier verwendet wird ist Sm2Co17.



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