Haben Magnete mit gleicher Leistung und gleichem Volumen die gleiche Magnetkraft? Im Internet wird behauptet, die Magnetkraft von NdFeB-Magneten betrage das 640-fache ihres Eigengewichts. Ist das glaubwürdig?
Diese Frage lässt sich tatsächlich erweitern, nämlich welche Faktoren mit der Saugkraft von Magneten zusammenhängen. Zunächst einmal sollte klargestellt werden, dass Magnete nur auf ferromagnetische Materialien eine Saugkraft ausüben. Bei Raumtemperatur gibt es nur drei Arten ferromagnetischer Materialien: Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen. Auf nichtferromagnetische Materialien wirkt keine Saugkraft.
Im Internet finden sich einige Formeln zur Berechnung der Saugkraft:
F=k*B²*S/2
F=0,577*S*B²
Sind diese Formeln korrekt? Die Antwort ist ungenau, aber die Tendenz stimmt. Die Stärke der Saugkraft eines Magneten hängt von der magnetischen Feldstärke und der Adsorptionsfläche ab. Je größer die magnetische Feldstärke, desto größer die Adsorptionsfläche und desto größer die Saugkraft.
Die nächste Frage ist dann: Ist die Saugkraft bei Magneten mit gleichem Volumen, flach, zylindrisch und schlank, gleich? Wenn nicht, welcher hat die größte Saugkraft?
Zunächst einmal ist klar, dass die Saugkraft nicht immer gleich ist. Welche Saugkraft ist die größte? Dies hängt mit der Definition des maximalen magnetischen Energieprodukts zusammen. Liegt der Arbeitspunkt des Magneten nahe dem maximalen magnetischen Energieprodukt, hat der Magnet die größte Arbeitsenergie. Die Adsorptionskraft des Magneten ist ebenfalls Ausdruck der Arbeit, daher ist auch die entsprechende Saugkraft am größten. Dabei ist zu beachten, dass das anzuziehende Objekt groß genug sein muss, um den Magnetpol vollständig abzudecken. Material, Größe, Form und andere Faktoren des anzuziehenden Objekts können dabei vernachlässigt werden.
Wie lässt sich feststellen, ob der Arbeitspunkt des Magneten am Punkt des maximalen magnetischen Energieprodukts liegt? Wenn der Magnet direkt vom anzuziehenden Material absorbiert wird, wird seine Absorptionskraft durch die Größe des Luftspaltmagnetfelds und die Absorptionsfläche bestimmt. Bei einem zylindrischen Magneten beispielsweise ist die Absorptionskraft am größten, wenn H/D ≈ 0,6, sein Mittelpunkt Pc ≈ 1 und er sich in der Nähe des Arbeitspunkts des maximalen magnetischen Energieprodukts befindet. Dies entspricht auch der Regel, dass Magnete üblicherweise als Absorptionsmittel relativ flach konstruiert sind. Am Beispiel des Magneten N35 D10*6 kann durch FEA-Simulation berechnet werden, dass die Absorptionskraft der absorbierten Eisenplatte etwa 27 N beträgt und damit fast den Maximalwert von Magneten gleichen Volumens erreicht, der dem 780-fachen seines Eigengewichts entspricht.
Quadratische Magnete ähneln kreisförmigen Magneten. Bei direkter Adsorption am zu adsorbierenden Material liegt der Mittelpunkt Pc≈1, also in der Nähe des maximalen Arbeitspunkts des magnetischen Energieprodukts, und die Saugkraft erreicht den Maximalwert von Magneten gleichen Volumens, beispielsweise 10*10*6,5 oder 15*10*8.
Natürlich handelt es sich hier nur um den Adsorptionszustand eines einzelnen Pols des Magneten. Bei mehrpoliger Magnetisierung ist die Saugkraft völlig anders. Die Saugkraft der mehrpoligen Magnetisierung ist deutlich größer als die der einpoligen Magnetisierung (unter der Voraussetzung eines geringen Abstands zum adsorbierten Objekt).
Warum verändert sich die Saugkraft eines Magneten gleichen Volumens so stark, wenn er mehrpolig magnetisiert wird? Der Grund dafür ist, dass die Adsorptionsfläche S unverändert bleibt, während die magnetische Flussdichte B durch das adsorbierte Objekt stark zunimmt. Aus dem untenstehenden Diagramm der magnetischen Kraftlinien ist ersichtlich, dass die Dichte der magnetischen Kraftlinien, die durch das Eisenblech eines mehrpolig magnetisierten Magneten verlaufen, deutlich zunimmt. Am Beispiel des Magneten N35 D10*6 wird eine bipolare Magnetisierung erreicht. Die Saugkraft der FEA-Simulation, die das Eisenblech adsorbiert, beträgt etwa das 1100-fache seines Eigengewichts.
Nachdem der Magnet zu einem mehrpoligen Magneten verarbeitet wurde, entspricht jeder Pol einem dünneren Magneten, und sein Pc-Wert hat sich geändert. Er kann nicht mehr anhand des Pc-Werts der Gesamtgröße berechnet werden. Daher beträgt die optimale Größe nicht mehr H/D ≈ 0,6, sondern einen flacheren Magneten. Die spezifische Größe hängt von der mehrpoligen Magnetisierungsmethode und der Anzahl der Pole ab.