Letzte Aktualisierung: 22. Februar 2026

Magnete: Vom kleinen Kühlschrankmagneten zum schwebenden Zug

Magnetismus: eine geringe Kraft, die Züge heben kann

Magnetismus ist eine Erscheinungsform des Elektromagnetismus, einer der vier grundlegenden Wechselwirkungen der Natur. Er entsteht durch die Bewegung elektrischer Ladungen und speziell durch den Spin der Elektronen, eine quantenmechanische Eigenschaft, die den Elektronen ebenso eigen ist wie Masse oder Ladung.

Auf den ersten Blick scheint Magnetismus eine geringe Kraft zu sein: Ein kleiner Kühlschrankmagnet kann kaum einige Blätter Papier halten. Doch diese gleiche physikalische Kraft wird von Maglev-Zügen genutzt, um zu schweben und sich ohne Kontakt zu führen. Ein aktives Steuersystem hält sie in einem extrem präzisen Abstand zu den Schienen (zwischen 10 und 15 mm), ohne dass sie sich nähern oder entfernen können. Der Zug ist buchstäblich in dieser Höhe durch ein intensives Magnetfeld "geklebt". Da es jedoch keine mechanische Reibung gibt, kann ein unabhängiger elektromagnetischer Motor sie auf über 600 km/h beschleunigen.

Wie geht man von einer vernachlässigbaren Kraft zu einer phänomenalen Leistung über?

Der mikroskopische Ursprung des Magnetismus: der Spin der Elektronen

Auf der grundlegendsten Ebene stammt der Magnetismus vom Spin und der elektrostatischen Abstoßung der Elektronen. Jedes Elektron verhält sich wie ein winziger bipolarer Magnet (mit einem Nord- und einem Südpol). In den meisten Materialien sind diese Mikromagnete (Spins) zufällig ausgerichtet. Ihre magnetischen Effekte heben sich gegenseitig auf, sodass das Material auf makroskopischer Ebene kein Netto-Magnetfeld aufweist.

Ferromagnetische Materialien und Weiss-Bezirke

In ferromagnetischen Materialien (wie Eisen, Kobalt oder Nickel) begünstigen elektrostatische Bewegungen eine parallele Ausrichtung der Elektronenspins. Diese Ausrichtung von Milliarden winziger elektronischer "Kompassnadeln" bildet mikroskopische magnetische "Inseln" (Weiss-Bezirke). Jede Insel ist wie ein großes Schiff mit Tausenden von Ruderern, die perfekt in dieselbe Richtung rudern (die Spins sind ausgerichtet). Wenn sich die meisten dieser Inseln in dieselbe Richtung ausrichten, wird das Material zu einem sehr starken Permanentmagneten.

Hinweis:
Weiss-Bezirke, benannt nach dem französischen Physiker Pierre-Ernest Weiss (1865-1940), sind mikroskopische Regionen (typischerweise 10 bis 100 Mikrometer) innerhalb eines ferromagnetischen Materials, in denen alle Elektronenspins natürlich in dieselbe Richtung ausgerichtet sind, selbst ohne äußeres Feld.

Die stärksten Permanentmagnete der Welt

Dieses Phänomen der spontanen Ausrichtung wird in bestimmten modernen Legierungen auf die Spitze getrieben. Seltene-Erden-Magnete, wie solche aus Neodym, Eisen und Bor (NdFeB), nutzen eine besondere Kristallstruktur. Diese Struktur verstärkt die Austauschwechselwirkung und "friert" die Ausrichtung der Spins ein, wodurch Materialien mit extremen Eigenschaften entstehen: Rekord-Sättigungsmagnetisierung und Widerstand gegen Entmagnetisierung. Das macht NdFeB zum stärksten Permanentmagneten.

Warum dieser Größenunterschied zwischen einem kleinen Kühlschrankmagneten und einem Maglev-Zug?

Der Schlüssel liegt im Unterschied zwischen spontaner Magnetisierung und dem erzeugten Magnetfeld. In einem kleinen Kühlschrankmagneten ist die Magnetisierung (die Ausrichtung der Elektronenspins) zwar auf mikroskopischer Ebene stark, aber das Volumen des magnetischen Materials ist sehr gering und die Pole sind nah beieinander, was die Reichweite und Intensität des in der Entfernung spürbaren Feldes begrenzt.

In einem Maglev-Zug wird kein einfacher Permanentmagnet derselben Größe verwendet: Es werden entweder supraleitende Elektromagnete (im elektrodynamischen System) oder eine Abfolge von Hochleistungs-Permanentmagneten (Neodym) in Kombination mit aktiven Spulen eingesetzt. Der Trick besteht darin, einerseits das aktive Volumen zu vervielfachen (Kilometer von Schienen und ganze Züge voller Magnete) und andererseits den Fluss durch weichmagnetische Kreise zu kanalisieren und zu verstärken. Vor allem bei supraleitenden Elektromagneten werden phänomenale Stromdichten (über 100 A/mm²) ohne Joule-Verluste erreicht, was Magnetfelder von mehreren Tesla erzeugt – tausendfach stärker als das eines kleinen Kühlschrankmagneten.

So wird die "geringe" Kraft im Gramm-Maßstab durch die Anhäufung von Magnetisierung, Strom und Wechselwirkungsfläche im Tonnen-Maßstab kolossal.

Hinweis:
Die ersten Beobachtungen des Magnetismus gehen auf das alte China zurück, wo Magnetit bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. zur Orientierung genutzt wurde. Im 19. Jahrhundert entdeckte Hans Christian Ørsted (1777-1851) den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und Magnetfeld. Diese Entdeckung wurde von James Clerk Maxwell (1831-1879) formalisiert, dessen Gleichungen Elektrizität und Magnetismus vereinen.