Magnetische Anisotropie bedeutet, dass ein Material eine bevorzugte Richtung für seine magnetischen Momente hat, wenn man ein Magnetfeld anlegt. Einfacher ausgedrückt bedeutet es, dass die Ausrichtung eines Materials beeinflusst, wie es magnetisch reagiert. Einige Materialien möchten in eine Richtung stärker magnetisiert werden als in andere. Wir nennen das die „einfache“ Achse. Sie möchten nicht in andere Richtungen magnetisiert werden.

Ursachen der Magnetischen Anisotropie

Es gibt einige Dinge, die magnetische Anisotropie verursachen.

  1. Kristallstruktur: Die Symmetrie des Kristallgitters eines Materials kann eine einfache Achse erzeugen. Kubische Materialien neigen dazu, ihre Magnetisierung entlang der Körperdiagonale auszurichten. Nicht-kubische Materialien möchten ihre Magnetisierung entlang bestimmter Kristallachsen ausrichten. Wir nennen das magnetokristalline Anisotropie. Dies ist die einzige intrinsische Ursache der Anisotropie, da sie aus der Struktur des Materials stammt.
  2. Formanisotropie: Wenn man nicht-kugelförmige Objekte wie Dünnfilme oder kleine Partikel hat, kann Anisotropie durch Oberflächen- oder Randwirkungen entstehen. Die Form des Materials beeinflusst, wie es auf ein externes Magnetfeld reagiert. Die Demagnetisierungfelder sind je nach Messrichtung unterschiedlich.
  3. Spin-Bahn-Kopplung: Die Wechselwirkung zwischen dem Spin der Elektronen und der Bewegung der Elektronen um den Kern kann dazu führen, dass die Magnetisierung in eine bestimmte Richtung zeigen möchte.
  4. Magnetoelastische Anisotropie: Wenn man einem Material mechanische Spannung oder Dehnung zufügt, kann man sein magnetisches Verhalten verändern.
  5. Austausch-Anisotropie:Dies hängt mit den Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten in den Materialien zusammen. Wenn ferromagnetische und antiferromagnetische Materialien miteinander gekoppelt sind, kann die antiferromagnetische Schicht beeinflussen, wie sich die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht verhält.
  6. Dotierung und Verunreinigungen: Man kann absichtlich Verunreinigungen oder Defekte in ein Material einbringen, um seine elektronische Struktur zu verändern, was sein magnetisches Verhalten und seine Anisotropie beeinflussen kann.
  7. Dehnung: Wenn man ein Material mechanisch verformt, verzerrt man die Symmetrie seines Kristallgitters. Diese Verzerrung kann beeinflussen, wo die einfache Achse liegt und wie es magnetisch reagiert.

 

Arten der Magnetischen Anisotropie

Es gibt einige verschiedene Arten der magnetischen Anisotropie.

  1. Kristalline Anisotropie:Hier bestimmt die Kristall-Symmetrie des Materials, wo die leichte Achse liegt. Dies ist bei kubischen und nicht-kubischen Materialien sichtbar.
  2. Formanisotropie: Hier bestimmt die Form des Materials, wo die leichte Achse liegt. Dies ist bei Dünnschichten und Nanopartikeln sichtbar.
  3. Magnetostriktion: Hier interagiert die Magnetisierung des Materials mit der Gitterstruktur, und das Material dehnt sich aus oder zieht sich zusammen, wenn ein Magnetfeld angelegt wird.
  4. Magnetische Feld-Anisotropie: Hier hat das Material eine hohe magnetische Suszeptibilität, und das externe Magnetfeld interagiert unterschiedlich mit den magnetischen Momenten im Material, je nachdem, in welche Richtung das Feld zeigt.

Anisotropie bei harten und weichen magnetischen Materialien

Harte magnetische Materialien: Diese Materialien, wie Neodym-Magnete, besitzen eine hohe magnetische Anisotropie, sodass sie resistent gegen Entmagnetisierung sind. Ihre starken, gerichteten magnetischen Eigenschaften werden in Anwendungen wie Motoren und Generatoren genutzt.

Weiche magnetische Materialien: Weniger häufig können auch weiche magnetische Materialien aufgrund interner Strukturfaktoren oder externer Verarbeitungsschritte anisotrop sein. Beispiele sind orientierte elektrische Stähle, die in Transformatoren verwendet werden.

 

Erreichung einer besseren magnetischen Anisotropie

Hersteller können die magnetische Anisotropie verbessern, indem sie während der Produktion mehrere Faktoren sorgfältig kontrollieren:

Materialauswahl: Die Wahl des Grundmaterials, wie Neodym in Hochleistungs-Magneten, ist entscheidend, um starke magnetische Eigenschaften zu erzielen.

Ausrichtungs- und Verarbeitungstechniken: Beim Herstellungsprozess des Magneten richten wir die magnetischen Momente mit Verfahren wie Heißpressen oder isostatischem Pressen aus. Dadurch können wir Magnete mit besseren anisotropen Eigenschaften herstellen.

Korngröße und -form: Wir haben eine gute Kontrolle über die Korngröße und -form des Materials, um eine konsistente magnetische Eigenschaft zu gewährleisten.

Sauerstoffgehalt: Wir reduzieren den Sauerstoffgehalt während der Produktion, um das Fließverhalten des Materials zu verbessern und die Anisotropie zu erhalten.

Perpendikuläres Pressen unter einem Magnetfeld: Wir richten die magnetischen Momente aus, wenn wir das Material während der Herstellung pressen. So erzielen wir die Anisotropie im Endprodukt.

 

Anisotrope vs. isotrope Magnete

Anisotrope Magnete: Diese Magnete haben magnetische Eigenschaften, die von der Richtung abhängen. Zum Beispiel stellen wir sinterneodym-Magnete her, bei denen die Körner während der Herstellung ausgerichtet werden. Das verleiht ihnen eine starke magnetische Leistung in eine bevorzugte Richtung.

Isotrope Magnete: Im Gegensatz dazu haben isotrope Magnete wie verklebte Neodym-Magnete keine bevorzugte Magnetisierungsrichtung. Sie besitzen in alle Richtungen ähnliche magnetische Eigenschaften. Das ermöglicht es, sie in verschiedenen Orientierungen zu formen und zu magnetisieren. Sie sind im Allgemeinen schwächer als anisotrope Magnete.

 

Anwendungen von anisotropen Magneten

Anisotrope Magnete werden in vielen Branchen eingesetzt, weil sie eine stärkere magnetische Kraft und Richtungsabhängigkeit aufweisen. Hier sind einige Beispiele:

  1. Sensoren: Wir verwenden anisotrope Magnete, wie Samarium-Kobalt-Magnete, in Sensoren, die Magnetfelder in elektrische Signale umwandeln. Diese Sensoren finden Sie in Automobil- und Luftfahrtsystemen.
  2. Generatoren: Wir nutzen das Magnetfeld, das durch anisotrope Magnete erzeugt wird, um Generatoren herzustellen. Zum Beispiel sind die Magnete in Windkraftanlagen anisotrop.
  3. Kühlung: Forschungen werden betrieben, um Magnete in der Kühlung einzusetzen. Zum Beispiel arbeitet das MIT an der Verwendung von Magneten als potenzielles Kältemittel.
  4. Kernmagnetresonanz (NMR): Wir verwenden anisotrope Magnete, um NMR-Spektrometer herzustellen. Diese Geräte ermöglichen es uns, die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien zu untersuchen.
  5. Medizinische Anwendungen: Anisotrope Magnete sind bei hohen Temperaturen stabil, daher verwenden wir sie in sterilisierten medizinischen Geräten und Implantaten.

Das Wissen über magnetische Anisotropie hilft Ihnen, Magnete in Ihrer spezifischen Anwendung optimal zu nutzen. Anisotrope Magnete haben eine Richtung, was sehr wichtig ist. Deshalb werden sie in so vielen verschiedenen Branchen eingesetzt, von Energie bis Gesundheitswesen. Isotrope Magnete bieten Ihnen mehr Flexibilität im Design, sind aber nicht so stark. Wenn Sie mehr über magnetische Materialien und deren Vorteile erfahren möchten, kontaktieren Sie uns jederzeit.

Magnetische Anisotropie

Magnetische Anisotropie. Bildquelle: Wikipedia