Physik
Von: Claudio Eckert, 20.6.2000 08:10 Uhr
Hallo!

Eine einfache, kurze Frage, die mir einfiel, weil weiter unten nach den magnetischen Metallen gefragt wurde:

Kann man einen Magneten eigentlich mit einem dünnen Material abschirmen, oder geht das nur mit "dickeren" Sachen, wie Holzplatte oder ähnlichem?

Gruß,
Claudio



  1. Antwort von Anonym (abgemeldet) 4
    Re: Magnetfeld abschirmen
    Hi Claudio ;-)))

    Magnetfelder lassen sich nur sehr schwer abschirmen. Das Prinzip einer Abschirmung besteht in der Erzeugung von Magnetfeldern mit "entgegengesetzter Polung". Dazu verwendet man sehr leitfähige Metalle, mit gut beweglichen Leitungselektronen. Trifft ein Magnetfeld auf ein solches Metall, erfahren die Leitungselektronen eine Lorentz-Kraft und fangen an, sich um die magnetischen Feldlinien herum zu bewegen. So entstehen kleine Kreisströme, die ihrerseits ein Magnetfeld erzeugen, das aber entgegengesetzt zum Hauptmagnetfeld gepolt ist. Je geringer der elektrische Widerstand des Metalls ist, desto stärkere Kreisströme können sich ausbilden und desto stärker ist auch die Abschirmung des Magnetfeldes.

    Gut geeignet sind die klassischen Tieftemperatur-Supraleiter. Sie schirmen ein Magnetfeld vollständig ab. Wird das Hauptmagnetfeld allerdings zu stark, bricht die Supraleitung zusammen und das Magnetfeld dringt vollständig durch. Auch Hochtemperatur-Supraleiter schirmen das Hauptmagnetfeld zunächst vollständig ab. Bei stärker werdendem Hauptmagnetfeld, lässt der Hochtemperatur-Supraleiter das Magnetfeld dann teilweise durch (Flusswirbel), bleibt aber noch supraleitend. Erst, wenn das Hauptmagnetfeld noch stärker wird, durchdringt es den Hochtemperatur-Supraleiter vollständig, und die Supraleitung ist kaputt.

    cu Stefan.
    5 Kommentare
    • von Anonym (abgemeldet) 3
      Re^2: Magnetfeld abschirmen
      Hi Claudio ;-)))

      Magnetfelder lassen sich nur sehr schwer abschirmen. Das
      Prinzip einer Abschirmung besteht in der Erzeugung von
      Magnetfeldern mit "entgegengesetzter Polung". Dazu verwendet
      man sehr leitfähige Metalle, mit gut beweglichen
      Leitungselektronen. Trifft ein Magnetfeld auf ein solches
      Metall, erfahren die Leitungselektronen eine Lorentz-Kraft und
      fangen an, sich um die magnetischen Feldlinien herum zu
      bewegen. So entstehen kleine Kreisströme, die ihrerseits ein
      Magnetfeld erzeugen, das aber entgegengesetzt zum
      Hauptmagnetfeld gepolt ist. Je geringer der elektrische
      Widerstand des Metalls ist, desto stärkere Kreisströme können
      sich ausbilden und desto stärker ist auch die Abschirmung des
      Magnetfeldes.
      Das funktioniert natürlich nur bei magnetischen Wechselfeldern. Bei Dauermagnetfeldern klingen die Wirbelströme nach kurzer Zeit ab und das Metall wird wieder durchlässig.

      Jörg
    • von Anonym (abgemeldet) 0
      Re^3: Magnetfeld abschirmen
      Hallo Jörg ;-) Das funktioniert natürlich nur bei magnetischen
      Wechselfeldern. Bei Dauermagnetfeldern klingen die
      Wirbelströme nach kurzer Zeit ab und das Metall wird wieder
      durchlässig.
      Nein, die Lorentzkraft ist bekanntlich F=-e*v*B, mit e=Elementarladung, v= Geschw. der Leitungselektronen und B= Magnetfeld! Die Lorentz-Kraft ist senkrecht zu v und B gerichtet und zwingt daher die Leitungselektronen auf eine Kreisbahn um das Magnetfeld B. Die Energie dafür kommt aus dem Magnetfeld B selbst. Die Kreisströme werden daher durch das Magnetfeld B ernährt. Ihnen wirkt allerdings der elektrische Widerstand entgegen, so dass die Abschirmung des Magnetfeldes nicht perfekt sein kann (au0er bei Supra-Leitern).

      Dieses Phänomen beobachtet man sogar bei Atomen. Wenn du z.B. ein Edelgasatom in ein konstantes Magnetfeld B packst, dann rotiert die Elektronenhülle mit der Winkelgeschwindigkeit w=-eB/2m (m=Elektronenmasse). Dies ist die sog. diamagnetische Abschirmung!

      cu Stefan.
    • von Anonym (abgemeldet) 0
      Re^4: Magnetfeld abschirmen
      Hallo Stefan,
      da muß ich nochmal widersprechen. Es läßt sich im Experiment sehr leicht nachprüfen, daß statische Magnetfelder auch sehr gute Leiter wie Kupfer oder Aluminium nahezu ungehindert durchdringen können. Die Abschirmung ist also nicht nur nicht perfekt sondern eher vernachlässigbar gering. Dabei ist noch zu bemerken, daß sich Aluminium keineswegs diamagnetisch sondern paramagnetisch verhält Wie dem auch sei, die Effekte sind so schwach, daß sie für eine Abschirmung nicht geeignet sind. Mit der Leitfähigkeit hat das auch weniger zu tun. Alle Elemente und Verbindungen haben mehr oder weniger ausgeprägte magnetische Eigenschaften in die eine oder andere Richtung. Als Beispiel einige relative Permeabilitätszahlen:

      Bi 0,99983
      Cu 0,99999
      Al 1,000022
      Co 240
      Ni 600
      Fe >10000

      Die wirksame Abschirmung statischer Magnetfelder bei Raumtemperatur ist nur mit Ferromagnetischen Werkstoffen wie z.B. Eisen möglich. Diese wirken dem Feld auch nicht entgegen sondern leiten den magn. Fluß auf kürzestem Weg zurück, sodaß er nicht nach außen dringt.
      Bei Wechselfeldern werden die Wirbelströme direkt durch diese Felder verursacht. Wenn also ein Magnetfeld in einen guten Leiter eindringt, stellt sich das durch die Wirbelströme erzeugte Feld dem ursächlichen Feld entgegen. und verhindert dessen Eindringen. Durch den elektrischen Widerstand des Metalles wird die Energie des Gegenfeldes jedoch aufgebraucht und es bricht, genau wie der Wirbelstrom selbst, vollständig !! zusammen. Der evtl. zurückbleibende Diamagnetismus hat damit nichts zu tun.

      Jörg [Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
    • von Anonym (abgemeldet) 0
      Re^5: Magnetfeld abschirmen
      Hi Jörg ;-) Hallo Stefan,
      da muß ich nochmal widersprechen. Es läßt sich im Experiment
      sehr leicht nachprüfen, daß statische Magnetfelder auch sehr
      gute Leiter wie Kupfer oder Aluminium nahezu ungehindert
      durchdringen können. Die Abschirmung ist also nicht nur nicht
      perfekt sondern eher vernachlässigbar gering.
      Das liegt aber nicht daran, dass die Kreisströme der Leitungselektronen mit der Zeit verlöschen würden, sondern daran, dass der elektrische Widerstand bei diesen Leitern immer noch sehr groß ist.

      Wie ich schon zuvor beschrieben habe, wird bei null Widerstand (Supraleitern) ein statisches Magnetfeld vollständig abgeschirmt. Dies ist in der Literatur unter Meissner-Ochsenfeld-Effekt bekannt! Wie dem auch sei, die Effekte
      sind so schwach, daß sie für eine Abschirmung nicht geeignet
      sind.
      Sie sind aber da! Und das Prinzip der Abschirmung von Magnetfeldern ist immer das gleiche, nämlich Erzeugung von Gegenfeldern. Es ist klar, dass statische Magnetfelder mit herrkömmlichen Mitteln nur sehr schwer abzuschirmen sind! Mit der Leitfähigkeit hat das auch weniger zu tun. Alle
      Elemente und Verbindungen haben mehr oder weniger ausgeprägte
      magnetische Eigenschaften in die eine oder andere Richtung.
      Als Beispiel einige relative Permeabilitätszahlen:
      Du meinst sicherlich, dass sie dia- oder paramagnetisch sind. Diamagnetismus wird immer durch Kreisströme von Elektronen verursacht. Selbst in Isolatoren, wo die schon beschriebene Rotation der Elektronenhüllen zu einem diamagnetischen Moment führt. Para- oder Ferromagnetismus beruht dagegen auf der Spin-Eigenschaft der Elektronen und dem damit verbundenen paramagnetischen Dipolmoment.

      Gute elektrische Leiter zeichnen sich durch breite Leitungsbänder aus, so dass hier die Voraussetzungen für das Auftreten von starkem Paramagnetismus sehr schlecht sind. Eine Ausnahme bilden allerdings die 3d-Übergangsmetalle Eisen, Cobalt und Nickel. Sie besitzen itinerante 3d-Elektronen in sehr schmalen Energiebändern und sind daher ferromagnetisch. Solche Metalle sind sicherlich nicht zur Abschirmung von Magnetfeldern geeignet. Daher ist es in der Regel zu erwarten, dass Metalle mit guter Leitfähigkeit nicht besonders paramagnetisch sind. Bi 0,99983
      Cu 0,99999
      Siehst du, Cu ist ein sehr guter Leiter, dem du hier offensichtlich selbst Diamagnetismus bescheinigst. Al 1,000022
      Auch Aluminium leitet gut, der sich andeutende Paramagnetismus dürfte hier eine untergeordnete Rolle spielen. Co 240
      Ni 600
      Fe >10000
      Ja, das sind die von mir oben angesprochenen, kritischen 3d-Übergangsmetalle. Bei den 5f-Elektronen der Aktiniden (z.B. Uran) findest du übrigens einen ähnlichen Magnetismus wie bei den 3d-Metallen. Völlig anders ist dagegen der Magnetismus der 4f-Elektronen der Seltene Erden, er folgt dem Heisenberg-Modell und dient oft zur Herstellung von starken Permanentmagneten. Die wirksame Abschirmung statischer Magnetfelder bei
      Raumtemperatur ist nur mit Ferromagnetischen Werkstoffen wie
      z.B. Eisen möglich. Diese wirken dem Feld auch nicht entgegen
      sondern leiten den magn. Fluß auf kürzestem Weg zurück, sodaß
      er nicht nach außen dringt.
      Ich kann mir durchaus vorstellen, dass es "Käfige" aus ferromagnetischen Materialien gibt, mit denen man statische Magnetfelder gut umleiten kann. Das ist dann allerdings ein ganz anderer Mechanismus als der von mir propagierte. In diesem Fall handelt es sich dann nicht um eine Kompensation des Magnetfeldes durch Wirbelströme, sondern um eine Art Umleitung für die magnetischen Feldlinien. Für diesen Fall muss ich dann meine obige Aussage ändern, dann sind gerade die 3d-Übergangsmetalle besonders gute Baustoffe. Ich hatte die ursrüngliche Frage so verstanden, dass das Magnetfeld wirklich abgeschirmt und nicht umgeleitet werden sollte. Anscheinend haben wir deswegen ein wenig aneinander vorbei geredet ;-))) Bei Wechselfeldern werden die Wirbelströme direkt durch diese
      Felder verursacht. Wenn also ein Magnetfeld in einen guten
      Leiter eindringt, stellt sich das durch die Wirbelströme
      erzeugte Feld dem ursächlichen Feld entgegen. und verhindert
      dessen Eindringen. Durch den elektrischen Widerstand des
      Metalles wird die Energie des Gegenfeldes jedoch aufgebraucht
      und es bricht, genau wie der Wirbelstrom selbst, vollständig
      !! zusammen.
      Wie ich schon in meinem vorigen Posting erwähnt habe, wird der Stromfluss durch das Einwirkende Magnetfeld selber ernährt. Der elektrische Widerstand wirkt dem entgegen, aber er kann den Stromfluss nicht auf Null reduzieren. Es stellt sich vielmehr ein Gleichgewichtszustand ein!

      cu Stefan.
    • von Anonym (abgemeldet) 0
      Re^6: Magnetfeld abschirmen
      Hallo Stefan,
      also erst mal der Versuch einer babylonischen Sprachentwirrung:

      (Ab)Schirmung = Vorrichtung, die dazu dient, Felder oder was auch immer daran zu hindern, einen bestimmten Ort zu erreichen.

      Es gibt 2 wesentliche Mechanismen um magn. Felder von einem abzuschirmenden Raum fernzuhalten bzw. abzuschirmen:

      1. Zurückdrängen des Feldes ( Supraleitung u. Diamagnetismus )

      2. Umleitung des Feldes ( Ferromagnetismus )

      Supraleitung ist zwar hochwirksam aber für den Hausgebrauch ungeeignet. Die Feldabschwächung durch Diamagnetismus liegt durchweg unter 1 Promille und ist daher als Abschirmung unwirksam.
      Ferromagetische Abschirmungen sind dagegen auch bei Raumtemperatur hochwirksam. Solche Abschirmungen werden in vielen technischen Geräten eingesetzt, um statische und niederfrequente Magnetfelder abzuhalten. da muß ich nochmal widersprechen. Es läßt sich im Experiment
      sehr leicht nachprüfen, daß statische Magnetfelder auch sehr
      gute Leiter wie Kupfer oder Aluminium nahezu ungehindert
      durchdringen können. Die Abschirmung ist also nicht nur nicht
      perfekt sondern eher vernachlässigbar gering.
      Das liegt aber nicht daran, dass die Kreisströme der
      Leitungselektronen mit der Zeit verlöschen würden, sondern
      daran, dass der elektrische Widerstand bei diesen Leitern
      immer noch sehr groß ist.
      Das liegt schon daran, daß die Kreisströme nicht ewig kreisen können. Wenn ein Magnetfeld auf ein Kupferblech trifft, bilden die Wirbelströme sofort ein gleichstarkes Gegenfeld. Das Kupferblech schirmt also das Magnetfeld zunächst vollständig ab. Der elektrische Widerstand des Kupfers verursacht aber Energieverluste beim kreisen der Wirbelströme. Beim statischen Feld ist diese Energie aber endlich und irgendwann aufgebraucht.
      Und das Prinzip der Abschirmung von
      Magnetfeldern ist immer das gleiche, nämlich Erzeugung von
      Gegenfeldern. Es ist klar, dass statische Magnetfelder mit
      herrkömmlichen Mitteln nur sehr schwer abzuschirmen sind!

      Nach meiner obigen Definition von Abschirmung träfe das dann nicht mehr zu Bei Wechselfeldern werden die Wirbelströme direkt durch diese
      Felder verursacht. Wenn also ein Magnetfeld in einen guten
      Leiter eindringt, stellt sich das durch die Wirbelströme
      erzeugte Feld dem ursächlichen Feld entgegen. und verhindert
      dessen Eindringen. Durch den elektrischen Widerstand des
      Metalles wird die Energie des Gegenfeldes jedoch aufgebraucht
      und es bricht, genau wie der Wirbelstrom selbst, vollständig
      !! zusammen.
      Wie ich schon in meinem vorigen Posting erwähnt habe, wird der
      Stromfluss durch das Einwirkende Magnetfeld selber ernährt.
      Der elektrische Widerstand wirkt dem entgegen, aber er kann
      den Stromfluss nicht auf Null reduzieren. Es stellt sich
      vielmehr ein Gleichgewichtszustand ein!
      Dieser Gleichgewichtszustand kann sich aber nur bei Wechselfeldern als stationärer Zustand ausbilden.
      Bei statischen Feldern würde das ja bedeuten, daß der Stromfluß einen ständigen Energieverlust des Feldes bewirkt. Das ist bei einem statischen Feld mit endlichem Energieinhalt aber nicht möglich. Der Strom klingt exponentiell ab und ist nach kurzer Zeit nicht mehr nachweisbar.

      Jörg

      Hoffentlich ist noch genug Platz im Brett
  2. Antwort von Niels (abgemeldet) 1
    Re: Magnetfeld abschirmen
    Hallo,

    reine Magnetfelder lassen sich sehr schlecht abschirmen.
    Man nimmt dazu Kaefige aus magnetisch gut leitfahigen Metallen.

    Die dicke Holzplatte schirmt das Magnetfeld nicht ab. Sie vergroessert nur den Abstand zum Magneten, so dass die Wirkung weniger gross ist.

    Gruss, Niels
    • Antwort von Anonym (abgemeldet) 0
      Re: Magnetfeld abschirmen
      Um statische und niederfrequente Magnetfelder abzuschirmen benutzt man sogenanntes Mu-Metall. Das ist ein hochpermeables weichmagnetisches Blech, das den magnetischen Fluß aufnehmen kann. Wenn der abzuschirmende Fluß so hoch ist, daß das Blech in die Sättigung gerät oder wenn die Abschirmung sehr gut sein soll, müssen mehrere Schichten übereinandergelegt werden. Die Abschirmung sollte dabei einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden.
      Magnetische Wechselfelder kann man mit gut leitenden Metallen, z.B. Kupfer abschirmen, wie im Postin weiter unten beschrieben. Bei 50 Hz funktioniert das aber noch nicht so gut. Hier benutzt man eher noch Mu-Metall.

      Jörg [Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]