Magnete bei hohen und niedrigen Temperaturen: Eine umfassende Analyse der Auswirkungen der Temperatur auf den Magnetismus

Magnete sind in jedem Bereich unseres Lebens präsent – von Kühlschrankmagneten bis hin zu Antriebsmotoren für Elektroautos, von medizinischen MRT-Geräten bis hin zu Windkraftanlagen. Aber wussten Sie, dass eine kleine Temperaturschwankung die Eigenschaften eines Magneten erheblich verändern kann? Die Beziehung zwischen Temperatur und Magnetismus ist ein ewiger Kampf zwischen Ordnung und Chaos in der mikroskopischen Welt.

Warum sind Magnete so temperaturempfindlich?

Magnete sind magnetisch, weil ihre innere Atomstruktur ungepaarte Elektronen enthält. Unter bestimmten Bedingungen richten sich die magnetischen Momente dieser Elektronen aneinander aus und bilden eine geordnete magnetische Domänenstruktur, die dem Magneten makroskopischen Magnetismus verleiht. Bei Temperaturänderungen verändern sich auch diese mikroskopischen Strukturen, was die Leistung des Magneten beeinträchtigt.

Erstens stören hohe Temperaturen den Magnetismus.

Wenn ein Magnet hohen Temperaturen ausgesetzt wird, löst sich seine innere Ordnung allmählich auf:

Allmähliche Entmagnetisierung

Durch die steigende Temperatur geraten die Atome im Magneten in heftige Schwingungen, die magnetischen Domänen geraten in Unordnung und der Magnetismus lässt allmählich nach12.

Bei gewöhnlichen Neodym-Magneten kommt es ab einer Temperatur von 80 °C zu einem reversiblen magnetischen Verlust (bei jeder Erhöhung um 1 °C geht die Stärke um etwa 0,11 % verloren).

Irreversible Schäden

Liegt die Temperatur weit über der Betriebstemperatur, aber unter dem Curiepunkt, kann es zu irreversiblen Verlusten kommen (zur Wiederherstellung ist eine Neumagnetisierung erforderlich).

Das Überschreiten der Curietemperatur führt zu einer dauerhaften Entmagnetisierung und der Magnetismus kann auch durch Abkühlen nicht wiederhergestellt werden.

Im Gegenteil, niedrige Temperaturen wirken sich freundlicher auf Magnete aus

(i) Erhöhter Magnetismus

Im Gegensatz zu hohen Temperaturen verstärken niedrige Temperaturen üblicherweise den Magnetismus von Magneten. Dies liegt daran, dass die thermische Bewegung der Atome bei niedrigen Temperaturen abgeschwächt ist, die magnetische Domänenstruktur stabiler ist und die Anordnung der magnetischen Momente geordneter erfolgt. Beispielsweise zeigt sich bei einigen Tieftemperatur-Experimentiergeräten, dass deren Magnetismus bei Verwendung von Magneten stärker ist als bei Raumtemperatur. Dieses Phänomen zeigt sich besonders deutlich bei einigen speziellen magnetischen Materialien, beispielsweise bei einigen Seltenerd-Permanentmagneten, die auch bei niedrigen Temperaturen hohe magnetische Eigenschaften behalten.

(ii) Erhöhte Materialsprödigkeit

Obwohl niedrige Temperaturen den Magnetismus von Magneten verstärken können, wirken sie sich auch negativ auf deren physikalische Eigenschaften aus. Bei niedrigen Temperaturen wird das Magnetmaterial spröder und bricht leichter. Dies liegt daran, dass niedrige Temperaturen die intermolekularen Kräfte des Materials verstärken, während die thermische Bewegung der Atome geschwächt wird, was zu einer Verringerung der Zähigkeit des Materials führt.

(iii) Verbesserte Stabilität der magnetischen Domänenstruktur

In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen ist die magnetische Domänenstruktur im Magneten stabiler. Dies liegt daran, dass die thermische Bewegung der Atome bei niedrigen Temperaturen abgeschwächt ist, die Anordnung der magnetischen Domänen geordneter ist und die Richtung der magnetischen Momente gleichmäßiger ist. Diese stabile magnetische Domänenstruktur ermöglicht es dem Magneten, bei niedrigen Temperaturen einen starken Magnetismus aufrechtzuerhalten und gleichzeitig ungeordnete Veränderungen in der magnetischen Domänenstruktur zu reduzieren.

Schließlich reagieren verschiedene Magnetmaterialien aufgrund unterschiedlicher Zusammensetzung und Struktur sehr unterschiedlich auf Temperatur: