Was ist Elektromagnetismus?
Einfach gesagt ist Elektromagnetismus genau das, was der Begriff selbst beschreibt, eine magnetische Wirkung, die das Ergebnis elektrischer Ströme ist. Im Duden wird das Ganze folgendermaßen definiert:
Gesamtheit aller Erscheinungen, in denen elektrische Ströme und magnetische Felder miteinander verknüpft sind.
So viel zur Begriffsklärung, mit der wir uns ja eigentlich auch schon zufrieden geben könnten. Im folgenden Beitrag möchten wir uns den Elektromagnetismus jedoch noch etwas genauer anschauen, um zu erläutern, was genau bei diesem Phänomen auf physikalischer Eben geschieht. Wir sprechen in diesem Fall von der Elektrodynamik, mit der zahlreiche Erscheinungen in unserer Umwelt beschrieben werden können.
Der dänischen Physiker und Chemiker Hans Christian Oersted hat das elektromagnetische Prinzip 1820 als erstes entdeckt und festgehalten. Zuvor wurden elektrische und magnetische Kräfte häufig vertauscht oder gar nicht erst unterscheiden. Dem ist jedoch nicht so.
Oersted hat nämlich festgestellt, dass ein Leiter, wenn er von Strom durchflossen wird, automatisch auch ein Magnetfeld um sich herum bildet. Die Stärke dieses Magnetfeldes hängt von der Stärke des zugeführten Stromflusses ab. Auch die Polarisierung dieses Magnetfeldes ist abhängig vom Stromfluss, genauer gesagt von der Richtung des Stromflusses. Dementsprechend lässt diese sich ebenfalls steuern, kehrt man die Richtung des Stromflusses um, vertauscht sich auch die Polarisierung des elektromagnetischen Feldes.
Der Elektromagnetismus und die Maxwellgleichungen
Nur knapp 40 Jahre später wurde dieses Prinzip von James Clerk Maxwell weiter vertieft. Er stellte die Maxwellgleichungen auf, welche auch heute noch die Grundlagen der Elektrodynamik bilden und beschreiben, wie sich elektromagnetische Felder bilden. Zusammengefasst lässt sich aus diesen vier mathematischen Gleichungen folgern, dass sogenannte elektromagnetische Wellen entstehen. Hierbei entstehen zuerst elektrische Felder durch Ladungen, aus diesen bewegten Ladungen entstehen als Folge magnetische Felder welche wiederum elektrische Felder hervorrufen. Diese Felder wechseln sich immer wieder ab, weswegen man insgesamt von elektromagnetischen Feldern spricht. Das ist natürlich nur eine vereinfachte Erklärung zu diesem Phänomen. Weitere Informationen und eine detaillierte Erläuterung finden Sie in diesem Artikel zu den Maxwellgleichungen in unserem Blog.
Wenn man bedenkt, dass im Allgemeinen von drei Grundkräften in der Physik die Rede ist, neben dem Elektromagnetismus gibt es noch die Gravitation und die Kernkräfte, kann man sich vorstellen wie viel Einfluss der Elektromagnetismus tatsächlich auf unsere Umwelt hat und wie wichtig es damit ist, dass dieses Phänomen durch seine entsprechenden mathematischen und physikalischen Gleichungen definiert wurde. Somit lassen sich alle mögliche elektromagnetischen Felder in unserem Alltag messen.
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Was ist das Pauli Prinzip?
Das Pauli-Prinzip - auch als Pauli-Verbot oder Paulisches Ausschließungsprinzip bezeichnet - wurde 1924 von dem Physiker Wolfgang Ernst Pauli entdeckt und knapp 20 Jahre später bekam er für seine Arbeit auch den Nobelpreis. Allgemein gesagt gilt nach dem Pauli-Prinzip, dass zwei Elektronen in einem Atom niemals genau den gleichen Zustand aufweisen dürfen. Durch diese Beschreibung wird klar, wieso es auch Verbot oder Ausschließungsprinzip genannt wird. Um dieses genauer erklären und nachvollziehen zu können, sollten wir erst einige Grundlagen klären.
Begriffserklärungen zum Pauli-Prinzip
Der Zustand eines Elektrons wird in sogenannten Quantenzahlen gemessen. Hierbei handelt es sich um vier verschiedene physikalische Größen, die die Eigenschaften des Elektrons darstellen: die Energie - abgekürzt mit “n”, den Drehimpuls - abgekürzt mit “l”, die Orientierung dieses Drehimpulses - abgekürzt mit “m”, sowie die Orientierung des Elektrospins - abgekürzt durch “s”. Hinzu kommt die Abkürzung “sm” welche für die Ausrichtung des Elektrospins steht. In einer Gleichung tauchen demnach diese fünf Variablen für die Bewegungseigenschaften des Elektrons auf und laut dem Pauli-Prinzip, dürfen sie niemals die gleichen sein.
Es gibt jedoch eine Einschränkung. Das Pauli-Prinzip gilt nicht einfach für alle Elektronen, sondern lediglich für die, deren Spin nicht ganzzahlig ist. Diese Elektronen nennt man Fermionen. Alle Teilchen mit ganzzahligen Spins, auf die das Ausschließungsprinzip demnach nicht zutrifft nennen wir Bosonen. Der Raum innerhalb eines Atoms in dem sich die Elektronen befinden und eben nicht gleichzeitig aufhalten können, wenn sie nicht ganzzahlig sind und dieselbe Anordnung aufweisen nennt sich Orbital. Somit hätten wir vorerst die wichtigsten Begriffe erklärt, um das Pauli-Prinzip zu verstehen.
Das Pauli-Prinzip im Zusammenhang mit dem Ferromagnetismus
Der Ferromagnetismus kommt letztendlich durch die Austauschwechselwirkung der Elektronen in einem Festkörper zustande. Auch diese, lässt sich mit dem Pauli-Prinzip erklären. Wie? Das schauen wir uns im Folgenden an:
Wie wir bereits in anderen Beiträgen unseres Blogs geklärt haben, kommt Magnetismus gerade dadurch zustande, dass sich die Elektrospins keine unterschiedliche Richtung des Spins aufweisen dürfen. Nun verbietet das Pauli-Prinzip innerhalb des Magneten, dass die Spins in nebeneinander liegenden Elektronen unterschiedlich sind, entsteht eine Kraft zwischen genau diesen, die die Spins parallel stellt und somit stabilisiert. An genau dieser Stelle tritt also die Austauschwechselwirkung auf. Diese ist so stark, dass wie wir ebenfalls bereits geklärt haben ein ferromagnetisch magnetisierter Stoff seine Magnetkraft nicht so leicht verliert, auch wenn der äußere Einfluss ausgeschaltet wird. Bei Elektromagneten ist dies genau das Gegenteil.
Falls Sie mehr über den Zusammenhang zwischen dem Pauli-Prinzip mit dem Ferromagnetismus erfahren möchten oder andere Fragen haben, können Sie jederzeit unser Expertenteam kontaktieren. Wir beraten Sie gerne ganz unverbindlich und bieten Ihnen ausführliche Informationen.
Magnetismus? Was ist das eigentlich?
Was Magnete sind? Klar, weiß ich doch! Das denken wir bestimmt alle. Aber ist uns eigentlich wirklich bewusst, was Magnetismus bedeutet? Die wahrscheinlich bekannteste und klassischste Anwendung, in der wir von den magnetischen Kräften profitieren, ist die des Kompasses. Schon vor vielen Jahrhunderten, haben Seefahrer darauf vertraut, um sich ihren Weg durch unbekannte Meere zu bahnen. Und sogar unsere Erde selbst ist im Endeffekt ein riesiger Magnet.
Tatsächlich wurde das Phänomen magnetischer Anziehung erstmals in Griechenland entdeckt. In der Stadt Magnesia wurde es bereits 500 vor Christus an Steinen beobachtet und von Thales von Milet beschrieben. Die Stadt gab dem Magnetismus dementsprechend auch seinen Namen.
Bei einem solch faszinierenden Phänomen ist es nicht verwunderlich, dass ich über Jahre hinweg zahlreiche Forscher damit beschäftigt werden. Allerdings herrschte häufig noch Unklarheit über den Unterschied und den Zusammenhang von Elektrizität und Magnetismus. Erst 1864 hat der Physiker James Clerk Maxwell, offiziell die Maxwellgleichungen aufgestellt, welche sowohl die elektrischen als auch die magnetischen Felder mathematisch beschreiben.
Die Wirkungsweise des Magnetismus
Wie genau funktioniert das eigentlich, mit diesen unsichtbaren Anziehungskräften? Es gibt die verschiedensten Formen von Magnetismus: Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus. Der Ferromagnetismus (von ferrum aus dem lateinischen Wort für Eisen), ist die in unserem Alltag am häufigsten auftretende Form. Elektromagnetische Wechselwirkungen sind für dieses Phänomen verantwortlich. Die dadurch entstehenden Feldlinien, die das Magnetfeld bilden, sind zwar nicht sichtbar, man kann sie allerdings durch Eisenspäne verdeutlichen oder eben graphisch aufzeichnen, um den Magnetismus visuell erklären zu können.
Es gibt sogenannte Permanentmagnete, die stetig magnetisiert sind, genauso wie Elektromagnete. Bei diesen letzteren wird die magnetische Wirkung durch die äußere Einwirkung von Elektrizität provoziert. Schaltet man den Stromfluss ab, lässt der Magnetismus nach. Dies passiert je nach Material schneller oder langsamer, die verbleibende magnetische Kraft, wird Remanenz genannt.
Elektrische Ströme in den Permanentmagneten, die letztlich für den Magnetismus sorgen, sind auf die Bewegung der Elektronen in den Atomen zurückzuführen. Diese drehen sich zum einen in Bahnen und zum anderen um sich selbst, was auch Spin genannt wird. Die Kombination dieser Bewegung kann zu einem magnetischen Moment führen, was jedoch eine sehr vereinfachte Erläuterung ist.
Wie sie bereits sehen, gibt es die verschiedensten Arten von Magneten, die alle jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Wirkungsweisen aufzeigen. Magnete werden in den verschiedensten Bereichen angewendet - in Elektromotoren, Fernsehern, Lautsprechern oder anderen elektronischen Geräten - was auch bedeutet, dass nicht jeder Magnet gleich geeignet für jede Anwendung ist. Daher sollte man sich vorab stets ausreichend beraten lassen, um sicherzustellen, dass man den angemessensten Magneten für die jeweiligen Bedürfnisse auswählt.
Falls Sie Fragen haben, können Sie gerne unser Fachpersonal kontaktieren. Wir informieren Sie und helfen Ihnen gerne unverbindlich weiter.
Was sind elektromagnetische Wellen?
Elektromagnetische Wellen können wir uns ähnlich wie die Wellen im Meer vorstellen, nur eben, dass wir sie nicht sehen können und sie aus elektromagnetischer Energie bestehen. Da sich die Stärken dieser Energie beziehungsweise elektrischen und magnetischen Feldern sowohl zeitlich als auch räumlich ändern, werden sie als Wellen bezeichnet.
Nun ist die Frage, wie entstehen solche elektromagnetischen Wellen. Zuallererst suchen wir uns einen Ausgangspunkt. Das kann beispielsweise ein Dipol sein, bei dem man die Richtung des Stromflusses sowie die Stärke geändert werden kann. Wenn die Stärke im Dipol am höchsten Punkt ist, entsteht ein Magnetfeld um ihn herum. Dieses Magnetfeld hat die selbe Richtung, wie der Stromfluss. Innerhalb einer Schwingung geht der Stromfluss zwei Mal komplett auf Null zurück, was bedeutet, dass die Ladungsträger innerhalb des Dipols sich an den jeweiligen Enden sammeln und die elektrischen Feldlinien wandern vom positiven zum negativen Ende. Wird nun der Dipol umgepolt, schwächt das elektrische Feld ab und das magnetische baut sich wieder auf. Im Endeffekt bedeutet das, es enstehen abwechseln magnetische sowie elektrische Schwingungen. Man spricht auch von einem elektromagnetischen Wechselfeld. Hinzu kommt, dass sich genau dieses Wechselfeld sogar von seinem Dipol lösen kann, was zur Folge hat, dass es sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Das ist dann unsere elektromagnetische Welle.
Nun gibt es jedoch verschiedenste Arten von elektromagnetischen Wellen: Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlen, Handystrahlungen, sogar das Licht selbst. Beschreiben lassen sie sich durch Merkmale, die den Wellen im Wasser sehr ähnlich sind. Es handelt sich um die folgenden:
Brechung - man spricht davon, dass eine elektromagnetische Welle bricht, wenn sie von einem Medium in ein anderes übergeht, dieser Moment ist die Brechung
Natürlich kann man diese Wellen auch mathematisch berechnen. Hierzu werden die Maxwellgleichungen verwendet, welche uns zeigen wie die schwingenden elektronischen und magnetischen Felder zueinander stehen.
Falls Sie mehr Informationen zu diesem Thema benötigen, oder Fragen haben, können Sie jederzeit mit unserem Fachpersonal Kontakt aufnehmen. Wir sind gerne für Sie da.
Magnete für den Automobilbereich
Auf den ersten Blick scheint es vielleicht nicht so, aber Magnete werden immer häufiger in den verschiedensten Bereichen in der Automobilbranche eingesetzt. Nicht nur wenn es um die Fertigungsstraßen geht, sondern auch im Auto selbst. In Lautsprechern, ABS-Systemen, Scheibenwischern oder dem Türschloss, Magnete kommen überall zum Einsatz.
Magnete als Teil Ihres Autos selbst
Besonders Neodym-Magnete sind sehr beliebt, da sie auch in kleiner Größe verfügbar sind und gleichzeitig eine extreme Haftkraft haben. Gerade in Elektromotoren beispielsweise, oder in anderen Stellen des Autos, wo nicht viel Platz ist, aber eine starke Leistung gefordert wird, ist diese Eigenschaft von Vorteil. Ursprünglich wurden eher Ferrit-Magnete verwendet, aber die Neodym-Magnete gewinnen auf Grund Ihrer Stärke an überhand und sind wohl die am häufigsten verwendeten Magnete für den Automobilbereich. Man muss jedoch darauf achten, dass sie eine bestimmte Legierung haben, je nachdem an welcher Stelle Sie eingesetzt werden sollen, da sie sonst eher anfällig gegen Korrosion und andere äußere Faktoren sind.
Magnete als Hilfsmittel zur Konstruktion des Autos
Wie bereits erwähnt werden Magnete im Automobilbereich auch an den Fertigungsstraßen verwendet. Besonders häufig werden Sie eingesetzt, um Produktionsstops aufgrund von Verunreinigungen zu vermeiden. An den entsprechenden Laufbändern befestigt, ziehen sie störende Eisenpartikel und andere magnetische Teilchen aus dem Verkehr und sorgen damit für ein qualitativ hochwertiges Endprodukt. Der Hersteller spart somit Zeit und Kosten.
Ihr Auto mit Hilfe von Magneten personalisieren
Zu guter letzt kommen Magnete nicht nur auf der industriellen Seite des Automobilbereichs zum Einsatz, sondern auch beim Endverbraucher selbst. Es gibt unterschiedliche Arten von Magneten die zahlreiche Varianten bieten, um das Auto zu personalisieren und für den eigenen Gebrauch anzupassen. So können beispielsweise mit Magnetknöpfen Abdeckungen für die Fenster angebracht werden. Das Navigationsgerät kann ebenfalls durch einen Magnethalter ganz einfach im Fahrerbereich angebracht werden, so dass es sicher hält und während der Fahrt nicht verrutscht. Auch im Marketing wird auf die magnetische Lösung zurückgegriffen, wenn es darum geht wirksam und günstig Werbenachrichten auf Autos anzubringen. Das garantiert eine große Reichweite, da es sich nun einmal um eine mobile Werbefläche handelt und die Magnetfolien, die hierbei zum Einsatz kommen sind leicht anzubringen und wieder abzunehmen. So kann der Werbespruch jederzeit geändert werden.
Sie sehen, Magnete sind für den Automobilbereich kaum wegzudenken. Egal ob es auf industrieller oder privater Seite ist, der Magnet ist ein fester Bestandteil unseres Autos. Falls Sie Fragen zum Thema haben oder sich gerne näher für die geeigneten Magnete zum Einsatz am Auto informieren würden, können Sie jederzeit gerne unser Fachpersonal kontaktieren.
Was ist die Lorentzkraft?
Die Lorentzkraft wurde von dem niederländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz entdeckt und beschreibt einfach gesagt, die Kraft, die auf einzelne bewegte elektrische Ladungen innerhalb eines Magnetfeldes einwirkt. Eine Defintionsmöglichkeit und die physische Formel, mit der die Lorentzkraft berechnet wird ist folgende:
"Bewegt sich ein Teilchen, das die Ladung q besitzt, mit der Geschwindigkeit v senkrecht zu den Feldlinien eines Magnetfelds mit der Flussdichte B, so wirkt die Lorentzkraft auf dieses Teilchen."
F = q * v * B
Um die Lorentzkraft allerdings tatsächlich zu verstehen, sollten erst einmal ein paar Grundlagen geklärt werden. Zu diesen Grundlagen, gehören die Magnete mit Ihren Magnetfeldern. Wie allgemein bekannt, haben Magnete zwei Pole, den Nordpol und den Südpol. Nähert man zwei unterschiedliche Pole, ziehen sich diese an, zwei gleiche Pole stoßen sich ab. Nähern wir nun einen Magneten an ein ferromagnetisches Material, wie beispielsweise Eisen, wird es angezogen, das heißt, das Eisen bewegt sich in Richtung des Magneten innerhalb des sogenannten magnetischen Feldes. Das Magnetfeld kann durch Feldlinien aufgezeigt werden. Diese Feldlinien fließen generell vom Nord- zum Südpol und schneiden sich nie.
So viel dazu. Kommen wir nun zur Lorentzkraft. Diese beginnt zu wirken, wenn wir nun einen elektrisch geladenen Leiter zwischen den vorher erwähnten Feldlinien des Magnetfeldes platzieren. Der elektrische Leiter wird durch die Lorentzkraft bewegt.
Wie kann man die Richtung der Lorentzkraft bestimmten?
Um die Richtung der Lorentzkraft zu bestimmen, das bedeutet, ob sich der in unserem oberen Beispiel beschriebene Leiter nach rechts oder links bewegt, können die Linke Hand Regel und die Rechte Hand Regel zur Hilfe genommen werden. Fließt der Strom von - nach + wird die Linke Hand Regel angewendet und andersherum von + nach - die Rechte Hand Regel. Es werden genau drei Finger beobachtet, der Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger. Egal welche der beiden Regeln wir verwenden, der Daumen stellt jeweils den Ursprung dar, also die Richtung des Elektronenstroms. Der Zeigefinger die Richtung des magnetischen Feldes, also die Richtung der Feldlinien und der Mittelfinger repräsentiert die Richtung der Kraft. Also das was wir sehen, bewegt sich der Leiter nach links, zeigt auch der Mittelfinger nach links und andersherum. Diese Regel wird auch UVW-Regel genannt, U steht hierbei für Ursache (Daumen), V für Vermittlung (Zeigefinger) und W für Wirkung (Mittelfinger).
Profitiert wird von der Lorentzkraft in vielen physikalischen Experimenten und auch in technischen Anwendungen wie Elektromotoren, Generatoren oder Fernsehern ist es ein grundlegendes Prinzip. Falls Sie mehr darüber erfahren möchten oder weitere Fragen zum Thema Magnetismus haben, können Sie jederzeit unser Fachpersonal kontaktieren.
Was ist Hysterese?
Um zu klären, was Hysterese ist, sollten wir uns erst einmal den Begriff selbst anschauen. Hysterese oder auch Hysteresis stammt aus dem griechischen hysteros (ὕστερος), was mit “hinterer” oder “später” übersetzt werden kann. Hysteresis bedeutet auf Deutsch übersetzt demnach soviel wie “Nachwirkung”.
Genau darum geht es bei der Hysterese im Allgemeinen. Um die Nachwirkung. Eine allgemeine Begriffsdefinition, wie sie im Duden steht, lautet demnach folgendermaßen:
“Das Zurückbleiben einer Wirkung hinter der sie verursachenden veränderlichen Kraft.”
Demnach kann man das Prinzip der Hysterese auf die verschiedensten Bereiche anwenden, von elektronischen über wirtschaftlichen Phänomenen bis eben hin zum Ferromagnetismus.
Was ist Hysterese von Ferromagneten?
Wie bereits bekannt können ferromagnetische Materialien durch außen angelegte Magnetfelder magnetisch aufgeladen werden. Diese Magnetisierung steigt wesentlich schneller, als das sie sinkt, wenn man das äußere Magnetfeld wieder herunterfährt. Genau diesen Effekt, haben wir der Hysterese zu verdanken, er wird durch die Hysteresekurve gemessen. Die Magnetkraft die übrig bleibt, wenn das äußere Magnetfeld komplett abgeschaltet wird, nennen wir Remanenz.
Gehen wir das ganze einmal an einem Beispiel eines nicht magnetisierten ferromagnetischen Materials durch. Zum Beispiel durch eine elektrische Spule, können wir dieses Material magnetisieren. Das äußere Magnetfeld wird mit H bezeichnet und das dadurch entstandene Magnetfeld im Inneren ist die magnetische Flussdichte B. Wir haben es hier also mit zwei Größen zu tun, der magnetischen Feldstärke (H) und der magnetischen Flussdichte (B), wobei die Hysterese den Zusammenhang zwischen den beiden beschreibt.
Wenn zuvor beide Größen auf Null standen, also die Spule noch nicht elektrisiert wurde und das zu magnetisierende Material nicht bereits eigene magnetische Energie hat, bildet sich eine Hysteresekurve, die wir als Neukurve bezeichnen. Während H nach und nach erhöht wird, steigt B anfangs nur langsam und kommt schließlich auch zu einem Sättigungspunkt. Auch wenn H nun weiter erhöht wird, steigt B nicht weiter. Dementsprechend kann das äußere Magnetfeld wieder abgestellt werden und die stärke des neu entstandenen Magnetfeldes wird nicht etwa genauso schnell sinken, sondern erst nach und nach, da wir nun von der Remanenz des zu magnetisierenden Materials sprechen.
Nun gibt es allerdings unterschiedliche Hysteresekurven: die weiche und die harte. Schauen wir uns Weichmagnete an, sind deren kurven schmaler und sie weisen kleinere Remanenzen und Koerzitivfeldstärken auf. Bei Hartmagneten hingegen, können wir breitere Kurven sowie höhere Remanenzwerte und Koezitivfeldstärken beobachten.
Das Thema des Hysterese ist natürlich noch wesentlich umfangreicher und man kann es sowohl von der physikalischen als auch von der mathematischen Seite aus betrachten. In diesem Beitrag wollten wir jedoch vorerst das Grundprinzip und die generelle Begriffsdefinition klären. Falls Sie weitere Fragen haben, können Sie uns jederzeit kontaktieren und unsere Experten helfen Ihnen gerne weiter.
