Magnetismus

Magnetismus ist der Menschheit schon seit Jahrtausenden bekannt. Bereits die alten Griechen berichteten vor 2.000 Jahren von einem Stein namens Magnes, welcher auf wundersame Weise Gegenstände aus Eisen anziehen konnte.

Das Rätsel des magischen Steins aus der Antike ist mittlerweile gelöst. Die Griechen waren damals auf das Eisenerz Magnetit gestoßen. Der heutige Name wurde aus dem Wort Magnes abgeleitet. Magnetit gehört, neben Hämatit, zu den am häufigsten verhütteten Eisenerzen und verfügt im natürlichen Zustand bereits über magnetische Eigenschaften.

Magnetisch ist ein umgangssprachlicher Ausdruck. Gemeint ist damit der Ferromagnetismus, eine Form des Magnetismus, mit dem die meisten Menschen vertraut sind. Insgesamt gibt es nur drei Metalle, die ferromagnetische Eigenschaften aufweisen. Dies sind Eisen, Kobalt und Nickel, die über magnetische Domänen verfügen, die eine Magnetisierung erlauben.

Magnetische Domänen

Magnetische Domänen im ferritischen GefügeDie magnetischen Domänen der ferromagnetischen Elemente werden auch Weißsche Bezirke genannt. Jeder dieser Bezirke ist mikroskopisch klein und weist im Inneren eine homogene magnetische Ausrichtung auf. Im Bild links wird schematisch dargestellt, wie sich die Domänen auf ein von außen wirkendes Magnetfeld ausrichten.

Für sich allein betrachtet, wäre jede einzelne Domäne magnetisch. Jedoch sind die angrenzenden Domänen anders ausgerichtet, sodass sich die magnetischen Eigenschaften gegenseitig schwächen oder auslöschen.

Werden ferromagnetische Materialien einem Magnetfeld ausgesetzt, richten sich alle Domänen im Metallgefüge gleich aus. Dadurch wird das Material selbst magnetisiert. Wird das Metall aus dem Magnetfeld entfernt, bleibt die Magnetisierung noch eine Weile erhalten. Dieser Effekt klingt bei den meisten Stahlsorten wieder ab. Bei gehärtetem Stahl bleibt die Magnetisierung jedoch erhalten.

Magnetfelder

Magnete, magnetisierte Gegenstände und Elektromagnete (Spulen) erzeugen Felder, wodurch Kräfte übertragen werden. Das Magnetfeld wird durch Feldlinien charakterisiert, die vom Nord- zum Südpol des Magneten verlaufen. Je nach Ausrichtung ziehen sich diese Magnetfelder entweder an oder stoßen sich ab. Diese Eigenschaften lassen sich technisch nutzen.

Technische Anwendung

Egal ob Dauer- oder Elektromagnet – unsere moderne Welt kann nicht mehr auf sie verzichten. Sie befinden sich in Fernsehern, Mobiltelefonen, in Messgeräten aller Art, kommen in der Medizin zum Einsatz und sind elementare Bauteile im Maschinenbau. In diesem Bereich stellen Elektromotoren, Transformatoren, Bremssysteme und Magnetlager nur einige wenige Beispiele aus der Industrie dar.

All diese Beispiele beruhen nur auf diesen drei Grundprinzipien:

  • mechanische Kräfte erzeugen
  • die Umwandlung von Energien
  • die Abschirmung oder Kopplung von elektromagnetischen Feldern

Je nach gewünschter Anwendung stellt jedes dieser Prinzipien eine Herausforderung an die verwendeten Materialien dar. Nicht immer ist eine Magnetisierung erwünscht. Vor allem bei der Abschirmung von Magnetfeldern dürfen Materialien nicht auf einwirkende Magnetfelder reagieren. Aluminium und Kupfer lassen sich nicht magnetisieren. Bei Stahl ist das eine ganz andere Frage.

Wieso sind manche Stahlsorten magnetisch, andere jedoch nicht?

Diese Frage wird uns sehr oft gestellt und auch in Internetforen und Blogs diskutiert. Zur Erklärung werden am häufigsten diese Fehleinschätzungen genannt:

  • Die besondere Reinheit der Legierung

    Es wäre eine möglichst geringe Konzentration an stahlbegleitenden Elementen wie Schwefel oder Phosphor nötig, um die Magnetisierbarkeit zu verhindern. Das ist falsch! Diese Elemente haben keinen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften. Sie werden aus Qualitätsgründen bei Edelstahl sehr gering gehalten, da sie das Material verspröden.

  • Rostfreier Stahl ist nicht magnetisch

    Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass rostfreier Stahl nicht magnetisch sei. Dies ist jedoch nicht immer so. Es gibt durchaus magnetische Edelstahlsorten! Ob Stahl rostfrei ist oder nicht, ist abhängig vom Chromgehalt und dieser beeinflusst die magnetischen Eigenschaften des Materials in keiner Weise.

Der wahre Grund

Ob eine Stahlsorte magnetisch ist, ist ausschließlich eine Frage des Gefüges. In unserem Beitrag über das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm werden die verschiedenen Gefügearten ausführlich behandelt.

Stahlsorten, die ein ferritisches oder ein martensitisches Gefüge haben, sind magnetisch. Nicht magnetisch sind dagegen Stahlsorten mit einem austenitischen Gefüge. Enthält eine Stahlsorte ein gemischtes Gefüge aus Ferrit und Austenit, bestimmt der Anteil des Ferrits die magnetischen Eigenschaften des Stahls.