Warum Magnete magnetisch bleiben

Ohne magnetische Stoffe gäbe es weder Elektrofahrzeuge noch Windgeneratoren - obwohl die Physiker von den strukturellen Grundlagen des Phänomens noch überraschend wenig verstehen

Wenn wir einen Eisenstab in eine stromdurchflossene Spule packen, zieht er andere magnetische Stoffe an. Doch sobald der Experimentator den Stromfluss deaktiviert, verschwindet die geheimnisvolle Kraft. Ein Permanentmagnet hingegen übt eine identische Wirkung aus - ganz ohne von außen zugeführte Energie und für (scheinbar) ewige Zeiten.

Tatsächlich sind die Mechanismen des sogenannten Ferromagnetismus in beiden Fällen dieselben. Ferromagnetische Stoffen zeichnen sich dadurch aus, dass sich die magnetischen Momente ihrer Atome, also eine große Zahl winziger Magnete, am liebsten parallel ausrichten. Im Normalzustand sind diese Stoffe trotzdem unmagnetisch, weil diese Ordnung nur für mikroskopisch kleine Bereiche gilt: die Weißschen Bezirke.

Unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds (etwa dem der Spule) kippen die Ausrichtungen der Weißschen Bezirke nun allmählich um, bis alle in dieselbe Richtung zeigen und somit ein auch nach außen spürbares Magnetmoment entsteht.

Permanentmagneten

Wie entsteht dabei der Unterschied zwischen Permanent- und Elektromagnet? Hier handelt es sich um reine Materialeigenschaften. Bei den Permanentmagneten ist der Stoff so aufgebaut, dass sich die Ausrichtung der Weißschen Bezirke ohne äußeren Einfluss von allein nicht (oder nur sehr langsam) wieder verändert. Ihr Material wird auch "hartmagnetisch" genannt - und das ist kein Zufall: Oft ist es zum Beispiel ein gewisser Anteil an Kohlenstoffatomen, der Eisen in hartmagnetisches Material verwandelt und gleichzeitig das Eisen selbst härter werden lässt.

Die Kohlenstoffatome verankern die magnetischen Momente der Weißschen Bezirke gewissermaßen. Um einen Permanentmagneten umzumagnetisieren, muss man deshalb ein entgegengesetzt gerichtetes Feld einwirken lassen.

Bei weichmagnetischen Stoffen genügt es hingegen, den Strom in der Spule auszuschalten. Die thermische Eigenbewegung der Atome sorgt dann dafür, dass die Magnetisierungen der einzelnen Bezirke recht schnell wieder in unterschiedliche Richtungen zeigen und damit von außen nichts mehr messbar ist.

Störenfried: Das "Permalloy-Problem"

So weit der Schulstoff. Also alles klar? Ganz und gar nicht. Das Problem, vor dem Physiker und Ingenieure hier stehen: Es wäre für viele Anwendungen etwa in der Elektromobilität oder der Energiegewinnung wünschenswert, die magnetischen Eigenschaften von dauer- oder auch elektromagnetischen Legierungen genau dosieren und vorhersagen zu können.

Und genau hier stellt die Natur die Forscher immer wieder vor Rätsel. Ein bestimmter, kleiner Zusatz, der eigentlich in ganz bestimmter Richtung wirken sollte, stellt sich plötzlich als Störenfried heraus. Mit "Permalloy-Problem" hat das Rätsel sogar schon einen Namen bekommen...

Die Unsicherheit ist besonders ärgerlich, weil sich auch ein zweiter Faktor unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändert: die Gestalt des Materials! In einem Generator oder Hochleistungsmotor kann die so genannte Magnetostriktion (die Längenänderungen von bis zum zwei Millimetern pro Meter bewirken kann) die Funktion des Gerätes beeinträchtigen.

Legierungen mit besonders ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften

Wenn sich aus bisherigen Ansätzen keine Lösung ergibt, freuen sich Forscher stets über neue Entdeckungen - selbst wenn sie das Problem anscheinend verkomplizieren. In einem Artikel im Wissenschaftsmagazin Nature stellen Harsh Deep Chopra und Manfred Wuttig nun eine Familie von Legierungen mit besonders ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften vor.

Eisen-Germanium, Eisen-Gallium oder Eisen-Aluminium dehnen sich nämlich unter dem Einfluss eines Magnetfelds nicht nur eindimensional in die Länge aus, sondern in alle Richtungen und verändern dabei auch noch ihr Volumen.

Dabei sind die Materialien jedoch ungewöhnlich schwer zu magnetisieren - wobei auch beinahe keine Hysterese-Kurve auftritt, die Kennlinie der Magnetisierung also fast identisch mit der der Demagnetisierung ist. Die Entdeckung deutet (wie das Permalloy-Problem) darauf hin, dass die gängigen Vorstellungen über ferromagnetische Prozesse offenbar noch nicht komplett sein können.

Die Vermutung der Entdecker: Es könnte autarke, nicht mit den Weißschen Bezirken identische Bereiche im Material geben, die sich bezüglich der Gestalt-Veränderung gemeinsam verhalten. Vielleicht lassen sich ja mit einem darum erweiterten Modell auch andere Probleme lösen. (Matthias Matting)