Magnetismus ist eine Erscheinungsform des Elektromagnetismus, einer der vier fundamentalen Wechselwirkungen der Natur. Er entsteht durch die Bewegung elektrischer Ladungen und spezieller durch den Spin der Elektronen, eine intrinsische quantenmechanische Eigenschaft, ähnlich wie Masse oder Ladung.
Auf den ersten Blick scheint Magnetismus eine eher schwache Kraft zu sein: Ein kleiner Kühlschrankmagnet kann kaum einige Blätter Papier halten. Doch diese gleiche physikalische Kraft wird von Magnetschwebebahnen (Maglev) genutzt, um ohne Berührung zu schweben und sich zu führen. Ein aktives Steuersystem hält sie in einem extrem präzisen Abstand zu den Schienen (zwischen 10 und 15 mm), ohne sich davon entfernen oder nähern zu können. Der Zug ist buchstäblich in dieser Höhe durch ein intensives Magnetfeld "geklebt". Allerdings ermöglicht das Fehlen mechanischer Reibung einem unabhängigen elektromagnetischen Motor, sie auf über 600 km/h zu beschleunigen.
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 Nettomagnetfeld aufweist.
In ferromagnetischen Materialien (wie Eisen, Kobalt oder Nickel) begünstigen elektrostatische Bewegungen eine parallele Ausrichtung der Elektronenspins. Diese Ausrichtung von Milliarden von "winzigen Kompassen" bildet mikroskopische magnetische Inseln (Weiss-Bezirke). Jede Insel ist wie ein großes Boot mit tausenden Ruderern, die perfekt in dieselbe Richtung rudern (die Spins sind ausgerichtet). Wenn sich die meisten dieser Inseln überwiegend in dieselbe Richtung addieren, wird das Material zu einem sehr starken Permanentmagneten.
Dieses Phänomen der spontanen Ausrichtung wird in einigen modernen Legierungen auf die Spitze getrieben. Magnete auf der Basis von Seltenen Erden, wie die 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.
Hinweis:
Die ersten Beobachtungen des Magnetismus gehen auf das antike China zurück, wo Magnetit bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. zur Orientierung genutzt wurde. Im 19. Jahrhundert zeigten die Arbeiten von Hans Christian Ørsted (1777-1851) den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und Magnetfeld auf. Diese Entdeckung wurde von James Clerk Maxwell (1831-1879) formalisiert, dessen Gleichungen Elektrizität und Magnetismus vereinen.
| Anwendungsbereich | Technologie / Schlüsselprinzip | Auswirkung / Leistung | Konkrete Beispiele |
|---|---|---|---|
| Hochgeschwindigkeitsverkehr | Magnetische Levitation (Maglev) & Linearmotoren | Geschwindigkeiten > 600 km/h, geräuschlos, keine mechanische Reibung | SCMaglev-Linie in Japan (Tokio-Nagoya), Transrapid in Shanghai |
| Medizinische Bildgebung | Magnetresonanztomographie (MRT) - Supraleitende Elektromagnete | Magnetfelder von 1,5 bis 7 Tesla für nicht-invasive Bildgebung von Weichgewebe | Diagnose von Tumoren, Hirnverletzungen und Muskelpathologien |
| Kernfusionsenergie | Magnetischer Einschluss von Plasma (Tokamak/Stellarator) | Magnetfelder von mehreren Tesla, um Plasma bei > 100 Millionen °C einzuschließen | Internationales ITER-Projekt (Frankreich), das die Machbarkeit der Fusion demonstrieren soll |
| Energiespeicherung | Magnetische Schwungräder auf Magnetlagern | Reibungsfreie Aufhängung im Vakuum, Wirkungsgrad >90%, Reaktion in Millisekunden | Stabilisierung von Stromnetzen, Notstromversorgung für Rechenzentren |
| Teilchenbeschleuniger | Supraleitende Elektromagnete zur Fokussierung und Ablenkung von Strahlen | Intensive Magnetfelder, um Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu führen | Large Hadron Collider (LHC) am CERN für die Grundlagenforschung |
| Umwelt | Hochgradienten-Magnetseparation (HGMS) | Extraktion von feinen Metallschadstoffen oder Mineralien aus Wasser und Industrieabfällen | Wasseraufbereitung, Recycling von Seltenen Erden, Mineralienaufbereitung |
| Luft- und Raumfahrt | Magnetoplasmadynamische Antriebe (MPD) und Raumfahrtschutzmagnete | Elektrischer Antrieb mit hohem Impuls für Langzeitreisen; Strahlenschutzschild | Satellitenantriebe; Konzept eines Magnetschilds für bemannte Marsmissionen |
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