Magnetismus im alltäglichen Leben

Die weichmagnetischen Materialien wie Ferrite oder normales Eisen sind technisch seit langem von großer Bedeutung. Sie werden zum Beispiel in Antennen oder in den Kernen der Transformatoren eingesetzt, um große magnetische Flüsse mit möglichst geringen Verlusten schnell hin und her schalten zu können. Hartmagnetische Materialien hingegen findet man in technischen Anwendungen als Permanentmagnete, zum Beispiel in Elektromotoren, Generatoren oder Lautsprechern.

In den letzten Jahren ist es mit Hilfe neuer Legierungen gelungen, die erforderlichen Schaltfelder im Vergleich zu dem des altbekannten Trafoblechs auf ein Hundertstel bis ein Tausendstel zu reduzieren, ohne Magnetisierung einzubüßen. Auf diese Weise lässt sich enorm viel Energie einsparen. Erreicht wurde dies mit Hilfe von nanokristallinen Gefügen, in denen jedes Kristallkorn so klein ist, dass es eine einzelne Domäne darstellt. Um die Magnetisierungsrichtung dieser Domänen umzukehren, muss nur sehr wenig Energie aufgewendet werden. Diese komplexen Werkstoffe weiter zu entwickeln und zu optimieren, ist das Ziel weltweiter industrieller und werkstoffwissenschaftlicher Bemühungen.

Hartmagnetische Materialien hingegen findet man in technischen Anwendungen als Permanentmagnete, zum Beispiel in Elektromotoren, Generatoren oder Lautsprechern. Hartmagnete sollen eine möglichst große, dauerhafte Magnetisierung aufweisen. Dies bedeutet, dass möglichst viel magnetische Energie im Material gespeichert ist. Moderne Materialien wie Legierungen aus Neodym, Eisen und Bor können zwanzigmal mehr magnetische Energie speichern als der klassische Dauermagnet „Alnico“ (Legierungen aus Eisen, Aluminium, Nickel, Kupfer und Cobalt) . Bei gleicher Leistung sind die entsprechenden Geräte etwa zwanzigmal leichter geworden – auch hier eine enorme Einsparung von Energie, Platz und Kosten. Für die hartmagnetischen Eigenschaften sind auf atomarer Skala der Bahndrehimpuls und das gezielt gestörte Materialgefüge verantwortlich. Alle besseren Permanentmagnete bestehen aus Verbindungen der ferromagnetischen Elemente Eisen oder Cobalt mit Elementen der leichteren Seltenen Erden wie Neodym, Praseodym oder Samarium, die ein sehr großes magnetisches Bahnmoment haben, das etwa sechzigmal größer ist als das von Eisen. Durch Einbau leichter Elemente wir Bor, Stickstoff oder Kohlenstoff wird das Gefüge stärker anisotrop und damit magnetisch härter. Dies hat zur Folge, dass das Umklappen der Magnetisierung der Domänen sehr viel Energie beziehungsweise ein starkes äußeres Feld erfordert.

Tonband

Magnetische Materialien sind in der Datenaufzeichnung sowie in der Audio- und Videotechnik schon seit Jahrzehnten in Gebrauch, zum Beispiel als Beschichtungen von Ton-, Video- oder Magnetbändern. Die Bänder oder Platten bestehen aus Polymeren, die mit winzigen, kaum ein Tausendstel Millimeter großen magnetischen Ferrit- und Chromdioxid-Nadeln oder Eisen-Teilchen beschichtet sind. Sie werden mit kleinen Induktionsspulen magnetisch beschrieben und ausgelesen. Eine neuere Variante ist die magnetooptische Datenaufzeichnung. Beim magnetooptischen Kerr-Effekt erfährt polarisiertes Licht, das an einer magnetischen Schicht reflektiert wird, eine kleine Drehung seiner Polarisationsrichtung. Das Vorzeichen dieser Drehung ändert sich, wenn man die Magnetisierung der Schicht umkehrt. Dieses Prinzip wird zum Beispiel in Minidisks verwendet. Wie bei normalen CDs werden die Bits mit einem einfachen Laser ausgelesen.

Die Information, die in Form unterschiedlich orientierter magnetischer Bereiche vorliegt, muss stabil gegen äußere Störfelder sein. Deshalb sollten die Bereiche eine möglichst hohe Magnetisierung besitzen, aber trotzdem mit möglichst geringer magnetischer Feldstärke vom „Tonkopf“ beschrieben werden können. Um dies zu erreichen, wendet man einen Trick an: Wenn der Laser die Schicht lokal unter dem Tonkopf erhitzt, dann genügen wesentlich kleinere Magnetfelder, um die Schicht zu beschreiben. Erhöht man die Laserleistung, so wird die Magnetisierung des beleuchteten Bereiches zerstört, die Platte gelöscht und zum Wiederbeschreiben präpariert.