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Kleine Einführung in den Permanent Magnetismus

Wir stellen hier ein kurzes Tutorium zur Einführung in das Gebiet des Permanentmagnetismus zur Verfügung.  Dies umfasst die Grundbegriffe über magnetischer Felder, unterschiedliche Klassen von Magneten sowie magnetische Materialien und deren charakteristische Parameter. Es behandelt weiterhin die Frage der magnetischen Stabilität, die Simulation magnetischer Systeme als auch die atomaren Ursachen der magnetischen Phänomene. 

Die unterschiedlichen Lektionen können im Pdf-Format herunter geladen werden, klicken Sie hierzu auf die Icons. 

Grundbegriffe Dauermagnetismus

In diesem Artikel erfolgt eine Erklärung der wichtigsten Begriffe des Dauermagnetismus wie Magnetisierung, magnetisches Moment, magnetische Polarisation, Suszeptibilität, Permeabilität und andere. Wir stellen hier weiterhin die bekannte Maxwell-Gleichungen als auch den Unterschied zwischen H- und B-Feldern vor. Zusätzlich wird der Leser in die unterschiedlichen magnetischen Phänomene wie Ferromagnetismus, Paramagnetismus und Diamagnetismus eingeführt. In diesem Zusammenhang wird u.a. auch dargelegt, welche charakteristischen Kurven bzw. Hysteresen diese Materialklassen aufweisen.

Hysterese und Entmagnetisierungskurve

An dieser Stelle erfolgt eine nähere Betrachtung der sog. magnetischen Hysterese. Während der erste Quadrant der Hysterese das Aufmagnetisierungs-Verhalten des Werkstoffes beschreibt, ist der zweite Quadrant entscheidend für das Verhalten eines schon magnetisierten Magneten. Der zweite Quadrant wird i.a. als Entmagnetisierungskurve benannt. Die wichtigsten Parameter dieser Kurve wie Remanenz, Koerzitivfeldstärke oder Maximales Energieprodukt werden an dieser Stelle erläutert. Weitere Begriffe wie z.B. Entmagnetisierungsfaktor, inneres Feld etc. werden ebenso vorgestellt.

Stabilität von Dauermagneten

Die Stabilität von Permanentmagneten, d.h. inwieweit Felder oder Kräfte der Magneten konstant bleiben, ist besonders vom technischen Standpunkt relevant. Änderungen der magnetischen Größen werden i.a. in reversible und irreversible Effekte unterteilt. Beider Arten von Änderungen können durch Einfluß der Magnettemperatur oder durch externe  Felder bewirkt werden. Ob und wann  Änderungen auftreten wird wesentlich durch die Lage der sog. Arbeitsgeraden bestimmt, die den Status innerer und externe Felder im Magneten beschreibt. Es erfolgt hier eine kurze Eräuterung dieser und weiterer Zusammenhänge und Phänomene.

Magnetische Materialien

An dieser Stelle erfolgt eine kurze Beschreibung der wichtigsten kommerziell verfügbaren Magnetmaterialien. Im Detail sind dies hartmagnetische keramische Ferrite, Alnico und Selten-Erd-Materialien wie NdFeB oder Samarium Cobalt. Diese Materialen beherrschen nach wie vor den Weltmarkt für Magnetwerkstoffe. Neben einer allgemeinen Erläuterung der spezifischen Charakteristika zeigen wir eine Tabelle mit den wichtigsten magnetischen Größen.  Zusätzlich werden Kosten und Stabilitätsmerkmale als auch die wichtigsten Anwendungsgebiete aufgezeigt.

Berechnung dauermagnetischer Felder

Dieser Abschnitt behandelt die Berechnung magnetischer Felder die von Dauermagneten erzeugt werden. Neben einer allgemeinen Erklärung der grundlegenden partiellen Differentialgleichungen erfolgt eine kurze Einführung in numerische Methoden wie die FEM-Methode. Die analytische Berechnung von Permanentmagneten wird dann im Detail mit den zugehörigen Formeln erläutert. Derartiges kann sowohl mittels des magnetsiche Vektorpotentials als auch mittels Skalarpotential erfolgen. Ein kurzer mathematischer Abriss der Vektoranalysis komplettiert dieses Kapitel.

Atomare Ursachen des Magnetismus

An dieser Stelle erfolgt eine Eräuterung der quantentheoretischen Hintergründe des magnetische Momentes der Elektronen, welches sich in Spin- und Bahnmoment aufgliedert. Zusätzlich wird hier die Kopplung der einzelnen Momente der Elektronen zum atomaren Gesamtmoment beschrieben. Anschließend erfolgt eine Diskussion der Wechselwirkungen der Atome untereinander, was zur Aufspaltung in Ferromagnetismus, Paramagnetismus und Diamagnetismus führt. Entsprechende Gleichungen für das magnetischen Moment, insbesondere für den ferromagnetischen Fall, werden im Anschluß skizziert. 

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