Was ist elektromagnetische Energie und wie funktioniert sie?

Die elektromagnetische Energie ist die Menge an Energie, die in einem Bereich des Raumes gespeichert ist, in dem wir uns die Existenz eines elektromagnetischen Feldes - also eines sowohl magnetischen als auch elektrischen Feldes - aneignen können, was als Funktion der Intensität entsprechend der Felder dargestellt wird.

Der Elektromagnetismus ist für die Wechselwirkung verschiedener elektrisch geladener Teilchen verantwortlich.

Wie wird elektromagnetische Energie erzeugt?

Die elektromagnetische Energie wird durch die Reibung der verschiedenen Materialien erzeugt, die den elektrischen Strom induzieren, der durch die Erdrotation verursacht wird und die Magnetisierung der Materialien provoziert. Um herauszufinden, wie viel elektromagnetische Energie pro Flächeneinheit fließt, wird folgende Formel verwendet:

Der elektromagnetische Energiefluss wird mit S bezeichnet, die Vakuumpermeabilität mit μ₀, das E steht für das elektrische Feld und das B symbolisiert das magnetische Feld.

Die elektromagnetische Energie hängt von der Art der Strahlung ab. Radiowellen, Lichtenergie, Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Infrarot- oder Ultraviolettstrahlen können für jeweils unterschiedliche Anwendungen genutzt werden. Röntgenstrahlen beispielsweise werden im medizinischen Bereich eingesetzt.

Verwendung und Anwendung elektromagnetischer Energie

Elektromagnetische Energie basiert auf Wellen, die sich in den oben genannten Feldern befinden und sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen.

Diese elektromagnetischen Wellen haben verschiedene Anwendungen, wie beispielsweise:

• Funkwellen bewegen sich in einer Frequenzklasse, die von den höchsten bis zu den niedrigsten Frequenzen reicht. Sie können auch auf natürliche Weise durch Naturereignisse, wie z.B. Blitze, erzeugt werden.

• Infrarotstrahlung wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt, unter anderem beim Militär, in der Industrie, im Bauwesen und in der Wissenschaft.

• Mikrowellen werden in der Radioastronomie verwendet, die astronomische Elemente mit Hilfe der Wahrnehmung von Radiowellen untersucht, welche im Universum gefunden werden.

• Röntgenstrahlen werden in der Medizin eingesetzt, um die Diagnose für die Behandlung einer Krankheit zu erhalten, aber auch um die Krankheit selbst vorherzusehen.

Die Hauptquelle für elektromagnetische Energie ist die Sonnenenergie. Wenn wir eine große Menge an elektromagnetischer Strahlung suchen, verwenden wir künstliche, also vom Menschen geschaffene Energiequellen.

IMA‌ ‌trägt‌ ‌durch‌ ‌Beteiligung‌ ‌am‌ ‌ PASSENGER-Projekt‌ ‌zu‌ ‌einem‌ nachhaltigeren‌ ‌und‌ ‌ökologischeren‌ ‌Europa‌ ‌bei‌

Die nachhaltige Verfügbarkeit von Rohstoffen in Europa ist eine der wichtigsten Herausforderungen. Insbesondere seltene Erden sind sehr umweltschädliche und knappe Elemente, die jedoch zur Herstellung von Dauermagneten benötigt werden, welche wiederum magnetische Anwendungen von bedeutender Relevanz in vielen Bereichen ermöglichen.

Aufgrund der Priorität, die Europa diesem Thema derzeit einräumt, investiert das PASSENGER-Projekt in die Erforschung und technologische Entwicklung möglicher Alternativen zu Seltenen Erden, wobei europäisches Know-how und Talent sowie die innovativsten Technologien zum Einsatz kommen.

Durch das Projekt möchte man mehr über Möglichkeiten zum Recycling dieser Magnete herausfinden, indem Prozesse und mögliche Legierungen untersucht werden, die es uns erlauben, das Rohmaterial wiederzuverwerten und neue Möglichkeiten zu schaffen. Zu diesem Zweck wurden acht innovative Aktivitäten mit verschiedenen Materialien geschaffen, die die Wertschöpfungskette abdecken und die Elektromobilität, einen Schlüsselsektor des Fahrens, mit diesen Bereichen einführen: E-Scooter, Elektrofahrräder, -motorräder und -autos.

Das 4-Jahres-Programm (2021-2025) wurde durch das Rahmenprogramm Horizon 2020 der Europäischen Kommission gefördert und finanziert und wird von dem in Madrid ansässigen Institut IMDEA Nanociencia (Advance Studies in Nanoscience) koordiniert.

Das PASSENGER-Projekt wird mit insgesamt 20 Partnern entwickelt, darunter führende Forscher, europäische Verbände und Industrien, die an der Herstellung von Permanentmagneten beteiligt sind, unter anderem auch Ingeniería Magnética Aplicada (IMA).

Wir nehmen aufgrund unseres Fachwissens und unserer Erfahrung im Magnetspritzgießen an mehreren Arbeitsgruppen bei diesem Projekt teil und übernehmen auch die Leitung einer davon. Unsere Einspritzmaschinen werden für die Erzeugung neuer Qualitätsstufen von eingespritzten Magneten mit dem "neu erzeugten Pulver" und die Wiederverwendung von unbenutztem Magnetpulver eingesetzt.

IMA wird, wie die anderen Unternehmen, einen Beitrag zu den Absichten des Grünen Paktes für Null-Emissionen und sauberen Stadtverkehr erhalten.

Weitere Aktivitäten, die im Rahmen dieses Projekts durchgeführt werden, sind Standardisierung, Lebenszyklusanalyse (LCA) und Lebenszykluskostenanalyse (LCC). Auch die Wiederverwertbarkeit und die Ökobilanz im sozialen Umfeld der verwendeten Produkte und Technologien werden in diesem Zusammenhang untersucht.

Aus welchen Teilen besteht ein Magnet?

Der Magnet ist ein Körper aus verschiedenen Materialien, die je nach Art des Magneten unterschiedlich ausfallen können. Dieser Körper erzeugt ein Magnetfeld um die beiden Pole (Nord- und Südpol), woraus die Funktion der Anziehung oder Abstoßung gegenüber anderen Magneten aus ferromagnetischen Materialien entsteht. Der Magnet besteht nicht, wie es den Anschein hat, aus einem einzigen Stück, sondern aus drei zusammengesetzten Teilen, die unterschiedliche Funktionen haben.

Die drei Teile des Magneten:

• Magnetische Achse: Eine gerade Linie, die als Verbindung zwischen dem Nordpol und dem Südpol des Magneten dient.

• Neutrale Linie: Die Grenzen der beiden Pole, an denen der gepolte Bereich getrennt ist - positiv und negativ. In diesem Teil des Magneten, der für die Trennung der Pole zuständig ist, befindet sich die minimale Anziehungskraft des Magneten.

• Pole: Es gibt zwei Pole, den positiven und den negativen, diese befinden sich jeweils an den Enden des Magneten.  Der Nordpol ist positiv und der Südpol negativ geladen. Im Gegensatz zu elektrischen Ladungen können die Pole getrennt werden. Wenn die Annäherung der Pole gleich ist, stoßen sie sich gegenseitig ab, sind die Pole jedoch entgegengesetzt, ziehen sie sich an. In diesem Teil des Magneten ist die größte Anziehungskraft zentralisiert.

Magnete können sich teilen?

Die Pole eines Magneten sind untrennbar, können also nicht geteilt werden. Schneidet man einen Magneten in der Mitte durch und erhält zwei unabhängige Teile, so werden auch diese ihre entsprechenden Nord- und Südpole haben. Die Anziehungskraft des Magneten wird in diesem Fall allerdings verringert.

Die Pole sind häufig rot am Nordpol und blau am Südpol markiert.

Auch der Planet Erde verhält sich wie ein großer Magnet mit zwei Polen, die nahe an den geografischen Polen liegen. Der Nordpol eines Magneten, weist eine große Anziehungskraft zum geographischen magnetischen Süden, also wird der Südpol vom geographischen Nordpol angezogen.

Die Pole des Magneten können verändert werden, da mehrere Forscher eine Abschwächung des Erdmagnetfeldes beobachtet haben, so dass der Nord- und der Südpol ihre Position tauschen.

Wie viele Arten des Elektromagnetismus gibt es?

Im Rahmen des Elektromagnetismus werden die Wechselwirkungen, die in elektrischen Ladungen zu finden sind und sich in miteinander verbundenen elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Sowohl elektrische als auch magnetische Felder haben elektrische Ladungen.

Die Wechselwirkungen des Elektromagnetismus wurden 1821 dank des britischen Wissenschaftlers Michael Faraday entdeckt. Mithilfe von James Clerk Maxwell vervollständigte er 1865 die Untersuchungen zu diesem Phänomen.

Verschiedene Arten des Elektromagnetismus

Elektrische Ladungen sind die Urform der magnetischen und elektromagnetischen Kräfte. Der Unterschied zwischen magnetischen und elektromagnetischen Kräften ist die Dynamik der Ladungen. Die elektrische Kraft und die magnetische Kraft, werden mit bewegten Ladungen erzeugt, der Unterschied ist, dass die statische Kraft zusätzlich zu dieser Art, diese Ladungen zu erhalten, sie auch mit statischen Ladungen erhalten können. Auf der anderen Seite kann die elektrische Kraft geladene Teilchen in Bewegung oder stationär konditionieren, während die magnetische Kraft nur Einfluss auf bewegte Ladungen ausübt.

Elektrische Phänomene finden sich nicht nur in Naturerscheinungen und anthropischen Phänomenen, sondern auch in Atomen. Diese subatomaren Teilchen verleihen den verschiedenen Eigenschaften eines Materials Stabilität.

Tatsächlich ist die magnetische Kraft in allen Atomen vorhanden (Diamagnetismus), wobei die elektrische Kraft hier geringer ist. In dem Moment, in dem ungepaarte Elektronen auftreten, sprechen wir, von Paramagnetismus, eine wesentlich höhere Kraft. Der Paramagnetismus hängt von den Wechselwirkungen zwischen einigen Atomen und Molekülen ab, kommt also nicht in einzelnen Atomen vor. Die Moleküle, die diese Wechselwirkungen erzeugen, sind die Bausteine von Magneten.

Anwendungsgebiete des Elektromagnetismus

Elektromagnetismus ist in verschiedenen Bereichen vorhanden, unter anderem Maschinenbau, Elektronik, Luftfahrt und auch die Medizin. Aber auch in unserem ganz normalen Alltag kommt der Elektromagnetismus zum Einsatz:

• Klingel: Die Klingel ertönt dank eines Elektromagneten, der eine elektrische Ladung erreicht, die wiederum ein Magnetfeld erzeugt, was eine Art Hammer mit einem Metall anzieht. Der Aufschlag erzeugt den Klingelton.

• Mikrowelle: Dieses Gerät erzeugt elektromagnetische Strahlungen, die die Wassermoleküle in den Lebensmitteln in Schwingung versetzt, wodurch Wärme zum Garen der Speisen entsteht.

• Mikrofon: Dieses Instrument wird durch eine Membran von einem Magneten innerhalb eines Magnetfeldes angezogen und erzeugt Schall in verstärkter Form.

Was versteht man unter absoluter magnetischer permeabiliät?

Die magnetische Permeabilität beschreibt den Zusammenhang zwischen magnetischem Fluss (B) und magnetischer Feldstärke (H). Abgesehen von Eisenmetallen, die eine hohe Permeabilität haben, und verschiedenen anderen Metallen mit einer wesentlich geringeren magnetischen Permeabilität, ist sie größer als eine Einheit. 

Die magnetische Permeabilität beschreibt den Zusammenhang zwischen magnetischem Fluss (B) und magnetischer Feldstärke (H). Abgesehen von Eisenmetallen, die eine hohe Permeabilität haben, und verschiedenen anderen Metallen mit einer wesentlich geringeren magnetischen Permeabilität, ist sie größer als eine Einheit. Die magnetische Permeabilität der meisten Materialien wie beispielsweise isolierende Materialien wie Glas und Kunststoff ist eine Einheit. Die Permeabilität selbst wird in unterschiedliche Arten unterteilt und wir schauen uns in diesem Beitrag die absolute Permeabilität genauer an. Die absolute Permeabilität ist die Fähigkeit eines Gesteins, den Fluss von Flüssigkeiten durch miteinander verbundene Löcher zu ermöglichen. Diese Art der Durchlässigkeit ist vollständig von einer Flüssigkeit gesättigt.

Als absolute Permeabilität wird der Grad der Magnetisierung bezeichnet, den ein Material in Reaktion auf ein Magnetfeld aufweist. 

Diese Permeabilität kann als µ symbolisiert und durch folgende zwei Formeln errechnet werden:

µ= B / H

- B= die magnetische Feldstärke

- H = die magnetische Überhöhung

µ = µr · µ0

- µr = relative magnetische Permeabilitä

- µ0 = magnetische Permeabilität im Vakuum

Die absolute Durchlässigkeit wird in dem Moment berechnet, in dem der Fluss das poröse Medium vollständig sättigt. Der Durchlässigkeitskoeffizient steht in direktem Zusammenhang mit dem Darcy'schen Gesetz, das sich auf den Fluss von Flüssigkeiten durch Böden bezieht. Wie oben erwähnt, wird dieser Koeffizient durch den Buchstaben k dargestellt. Mit dem Darcy'schen Gesetz können wir das Verhalten einer Flüssigkeit durch ein poröses Medium aufzeigen.

Je niedriger die absolute Permeabilität ist, desto höher ist die relative Permeabilitätskrümmung der nicht benetzenden Phase. Diese Phase hat eine geringere relative Permeabilität.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Permeabilitätskoeffizienten zu messen:

• Durch eine Messung im Labor, bei der wir die konstante Last und variable Parameter der Last ausfindig machen können.

• Durch eine Messung in situ 

• Durch eine empirische Messung wie Allen-Hazen, Loudon, Terzagui, Schilichter oder der horizontale Kapillaritätstest

Um die absolute Permeabilität zu messen, benötigen wir ein Messgerät, dass sich Permeameter nennt und wie folgt aussieht:

Was ist Magnetorezeption?

Magnetorezeption ist die Fähigkeit von Tieren Magnetfelder und deren Richtung wahrzunehmen, um eine bestimmte Position zu erkennen und auch den Breitengrad, auf dem sie sich befinden, auszumachen.

Magnetisierung bei Tieren

Die Magnetisierung wurde schon vor Jahren entdeckt, die ersten Tiere, bei denen sie auffiel, waren Brieftauben, bei denen sie zur Orientierung genutzt wurde, um sie von einem Ort zum anderen zu bewegen Nachrichten zu überbringen. Auf diese Weise gab es kein Risiko, dass sie sich verirren und sie finden ohne Probleme ihren Ursprungs- und Zielort. Im Laufe der Zeit fand man heraus, dass es unglaublich viele Tiere gibt, die die Magnetorezeption nutzen: andere Vogelarten, Bienen, Pilze, einige Bakterien, Fruchtfliegen, Rochen, Hummer. Es gibt auch Haie, die die Elektrorezeption nutzen, also die Fähigkeit haben, sich dank des Erdmagnetfeldes zu orientieren, indem sie dessen elektrisches Feld in Kombination mit den Meeresströmungen nutzen.

Wie funktioniert die Magnetorezeption?

Es gibt kein genaues Wissen darüber, wie die Magnetorezeption funktioniert. Was wir allerdings wissen ist, dass die Erde mittels eines großen Magneten gesteuert wird, der Magnetfelder erzeugt und die oben genannten Tiere sind in der Lage, diese wahrzunehmen. Diesen Vorteil machen sie sich zu Nutzen, um die richtige Richtung zu finden.

Es gibt drei Theorien darüber, wie der Mechanismus der Magnetrezeption funktioniert:

1. Die erste basiert auf magnetischen Eisenoxid-Mineralien, die in biologischen Magnetkristallen vorkommen und ihnen die Fähigkeit verleihen, das Magnetfeld der Erde zu spüren. Diese magnetischen Kristalle verbergen sich beispielsweise in den Schnäbeln von Vögeln.

2. Später kommt eine Veränderung des Magnetfeldes des SPIN oder Kryptochroms hinzu. Eine Art von Blaulicht-Photorezeptoren, die in Pflanzen und Tieren vorkommen und es ihnen erlaubt, die Richtung des Magnetfeldes zu lokalisieren. Diese Kryptochrome sind ebenfalls Proteine, die, sobald sie durch die Aufnahme von Energie aktiviert werden, "Radikalpaare" bilden.

3. Die elektromagnetische Induktion ist die neueste Theorie der Magnetorezeption, die bei sensiblen und aquatischen Tieren entdeckt wurde, die einen neuronalen oder zellulären Mechanismus besitzen, der es ermöglicht, die Elektorezeptivität (Empfang und Verwertung von elektrischen Impulsen) in magnetische Sensibilität umzuwandeln.

Wie viele Pole kann ein Magnet haben?

Ein Magnet ist ein Mineral, das aufgrund seines Magnetfeldes die Fähigkeit besitzt, Metallteilchen anzuziehen. Dabei gibt es zwei Arten von Magneten: natürliche Magnete wie Magnetit und künstliche Magnete wie Permanentmagnete.

Egal um welche Art von Magnet es sich handelt, sie haben beide die Fähigkeit aufgrund ihrer beiden Pole - dem Nordpol (mit positiver Ladung) und dem Südpol (mit negativer Ladung) - Metallteile anzuziehen. Gleiche Pole stoßen sich ab und entgegengesetzte Pole ziehen sich an. Im Gegensatz zu den Polen können die elektrischen Ladungen nicht von den Polen getrennt werden.

Die Erde selbst ist ebenfalls wie ein großer Magnet, wobei die magnetischen Pole und die geografischen Pole der Erdachse nicht identisch sind. Der Nordpol eines Magneten liegt in der gleichen Richtung und wird vom geografischen magnetischen Südpol angezogen, so wie der Südpol der Erde mit dem geografischen Nordpol verbunden ist. Die Achsen des geografischen und des magnetischen Nordpols bilden einen Winkel, der als magnetische Deklination bezeichnet wird.

Im Jahr 1831 stellten mehrere Wissenschaftler fest, dass sich der magnetische Norden der Erde im Laufe der Zeit verschiebt. Dieses Phänomen ist auf das Eisen zurückzuführen, das sich im Erdmittelpunkt befindet und durch seine Drehbewegung elektrische Ströme erzeugt, die später das Magnetfeld erzeugen.

Wie macht man die Pole der Magnete aus?

Je nach Art des Magneten finden wir die Pole an der einen oder anderen Stelle, wenn der Magnet eine rechteckige Form hat, befinden sich die Pole an den Enden. Wenn der Magnet eine Kreisform hat, befinden sich die unterschiedlichen Pole an den Basen. Um die verschiedenen Pole auszumachen, können wir Polsucher verwenden. Abgesehen davon, können sie aber auch mit Hilfe eines anderen Magneten oder mit Hilfe eines Kompasses gefunden werden. Der Kompass ist im Gegensatz zum Polsucher auf das Magnetfeld der Erde ausgerichtet, er hilft uns also, den Nordpol und den magnetischen Südpol dank der Richtung der Kompassnadel festzulegen.

Visuell werden die verschiedenen Pole meist in unterschiedlichen Farben angegeben. Der Südpol ist in der Regel blau markiert und der Nordpol rot.

Was ist bioelektromagnetismus?

Der Bioelektromagnetismus ist ein Spezialgebiet der Biowissenschaften, das sich mit der Erzeugung von Magnetfeldern beschäftigt, die von Lebewesen erzeugt werden. Wir sprechen dabei von allen Lebewesen, egal ob in der Pflanzen- oder Tierwelt. Der Bioelektromagnetismus entsteht in den elektrischen Impulsen, die in den Zellmembranen zu finden sind, sowie in den elektrischen Strömen, die als Folge des elektrischen Impulses in Nerven und Muskeln zirkulieren.

Woher kommt der Bioelektromagnetismus?

Der Bioelektromagnetismus wird im Bereich der Medizin untersucht, genauer gesagt im Zusammenhang mit elektrophysiologischen Techniken. Die Elektrophysiologie ist ein Test, der von verschiedensten Ärzten verwendet wird und der es uns ermöglicht, die Diagnose bei Patienten zu erhalten, die an Herzveränderungen leiden. Luigi Galvani, ein Arzt und Physiker des späten 18. Jahrhunderts, war der Erste, der die Kontraktion eines Froschmuskels an der gleichen Stelle feststellte, an der er Experimente mit Elektrizität ausgearbeitet hatte. Galvani verknüpfte sie zunächst mit der tierischen Elektrizität oder dem, was heute als Galvanismus bekannt ist. Damals schlussfolgerte Galvani, dass die Muskelkontraktion die Reaktion der Substanz im Inneren des Nervs war.

Anwendungsgebiete des Bioelektromagnetismus

Wie bereits erwähnt, findet der Bioelektromagnetismus viele Anwendungen in verschiedensten Bereichen wie der Physik, der Molekular- und der Zellbiologie. Wir finden sie auch in der Biomedizintechnik, bei der Herstellung von medizinischen Geräten und Instrumenten und bei der Verwendung zur Behandlung verschiedener Krankheiten. Die bioelektromagnetische Therapie ist eine Anwendung von elektromagnetischen Feldern zur Vorbeugung von Krankheiten und zur Erhaltung der Gesundheit. Bei dieser Behandlung werden elektrische Ströme induziert, sobald sich das elektromagnetische Feld ändert, wenn es in der Nähe eines leitenden Mediums und gleichzeitig des menschlichen Körpers platziert wird.

Eine der wichtigsten Anwendungen ist in der Medizin und Epidemiologie. Die am häufigsten verwendeten medizinischen Anwendungen im Bioelektromagnetismus sind die mit niedriger Frequenz, die in thermische und nicht-thermische unterteilt werden können. Thermische Anwendungen von Niederfrequenzstrahlung sind die bekanntesten und umfassen Radiofrequenz-Hyperthermie, Chirurgie und Laser.