Zieht ein Magnet Aluminium an? Erklärung und Fakten

Magnetische Eigenschaften von Aluminium

 

Aluminium wird von einem Magneten nur sehr schwach angezogen – so schwach, dass sich das bei einem Versuch zu Hause meist nicht erkennen lässt. Ein Magnet haftet an einem Aluminiumblech nicht so wie an einem Stahlgegenstand. Trotzdem kann Aluminium einen bewegten Magneten deutlich abbremsen... Wie passt das zusammen? Um das zu verstehen, sehen wir uns zunächst Aluminium und Magnete genauer an. Anschließend unterscheiden wir zwei verschiedene physikalische Vorgänge.

 

Aluminium und Magnete – die wichtigsten Fakten

• Aluminium ist paramagnetisch und wird deshalb von Magneten nur sehr schwach angezogen.
• Ein gewöhnlicher Magnet haftet an reinem Aluminiumblech nicht so wie an Eisen.
• Bewegt sich ein Magnet gegenüber Aluminium, können Wirbelströme entstehen, die diese Bewegung abbremsen.
• Nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes bleibt Aluminium nicht dauerhaft magnetisiert.
• Die Dichte von Aluminium beträgt etwa 2,70 g/cm³. Ein Liter massives Aluminium wiegt somit ungefähr 2,7 kg.
• Im 19. Jahrhundert war das damals schwer herzustellende metallische Aluminium zeitweise teurer als Gold.

 

Zunächst die Grundlagen: Aufbau und Eigenschaften von Aluminium und Magneten

Aluminium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Al. Seine Ordnungszahl beträgt 13. Das bedeutet, dass sein Atomkern 13 Protonen enthält. Ein elektrisch neutrales Atom besitzt außerdem 13 Elektronen. Drei davon befinden sich in der äußeren Elektronenschale. Im festen Metall können Elektronen zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen.

Die Aluminiumatome bilden ein regelmäßiges Kristallgitter mit einer kubisch-flächenzentrierten Struktur. Der Begriff ist lang, beschreibt aber lediglich eine sich wiederholende räumliche Anordnung der Atome. Das Metall selbst ist silbrig und vergleichsweise weich... Seine Dichte beträgt ungefähr 2,70 g/cm³. Ein Liter massives Aluminium wiegt deshalb etwa 2,7 kg.

An der Luft bildet sich auf der Oberfläche eine dünne Oxidschicht. Sie begrenzt die weitere Oxidation und trägt dazu bei, dass das Metall im Alltag beständig bleibt. Dieser Vorgang heißt Passivierung. Aluminium ist deshalb allerdings nicht gegen jede chemische Umgebung widerstandsfähig.

Und ein Magnet? Er ist ein Gegenstand, der ein Magnetfeld erzeugt, kein eigenständiges chemisches Element... Ein Dauermagnet behält seine Magnetisierung ohne Stromversorgung. Solche Magnete werden unter anderem aus Metalllegierungen hergestellt. Ihre Eigenschaften hängen von der Zusammensetzung und dem Herstellungsverfahren ab. Ein Magnet besitzt einen Nordpol und einen Südpol. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Bei einem Elektromagneten entsteht das Feld dagegen durch elektrischen Strom, der durch eine Spule fließt.

Die Dichte eines Magneten hängt vom verwendeten Material ab. Bei einem typischen gesinterten Neodym-Magneten beträgt sie etwa 7,5 g/cm³. Ein Liter dieses Materials wiegt somit ungefähr 7,5 kg – fast dreimal so viel wie ein Liter Aluminium.

 

Zieht ein Magnet Aluminium an und wovon hängt das ab?

Ja, allerdings ist die Anziehung von reinem Aluminium in einem ungleichmäßigen Magnetfeld sehr schwach. Der Unterschied zu Eisen ist enorm. Hältst Du einen Magneten an eine Aluminiumdose, ist deshalb meist keine sichtbare Reaktion zu erkennen. Ein stärkerer Magnet verstärkt die Wechselwirkung, lässt Aluminium aber nicht plötzlich wie Stahl reagieren.

Dabei zählt nicht nur die Stärke des Magnetfeldes. Entscheidend ist auch, wie stark sie sich von einem Ort zum nächsten verändert. Diese räumliche Veränderung bezeichnet man als Gradienten. In einem gleichmäßigen Feld führt die schwache Magnetisierung allein nicht dazu, dass die Probe in eine bestimmte Richtung gezogen wird. Erst mit einem geeigneten Messaufbau lässt sich die geringe Kraft von Einflüssen durch Reibung oder das Gewicht der Metallprobe unterscheiden.

Eine deutlichere Reaktion kann auftreten, wenn sich der Magnet gegenüber dem Aluminium bewegt. Das sich verändernde Magnetfeld kann in dem elektrisch leitenden Metall Wirbelströme erzeugen. Diese bilden ein eigenes Magnetfeld, das der Veränderung entgegenwirkt, durch die sie entstanden sind. Dann lässt sich ein Widerstand spüren... Das ist ein anderer Vorgang als die schwache Anziehung einer ruhenden Probe.

Ein gutes Beispiel ist ein Magnet, der durch ein Aluminiumrohr fällt. Er kann deutlich langsamer sinken, obwohl er nicht an der Rohrwand haftet. Dieselbe Bremswirkung durch Wirbelströme lässt sich mit einer Aluminiumplatte zwischen den Polen eines Magneten zeigen. Dabei wird Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt.

Haftet ein Magnet fest an einem vermeintlichen Aluminiumgegenstand, lohnt sich ein genauerer Blick auf dessen Aufbau. Unter einer Aluminiumverkleidung kann sich ein Stahlteil befinden. Der Magnettest allein verrät daher nicht die Zusammensetzung des gesamten Gegenstands.

 

Warum reagiert Aluminium anders auf einen Magneten als Eisen?

Eisen ist bei Raumtemperatur ferromagnetisch. In seinem Inneren gibt es magnetische Domänen, auch Weiss-Bezirke genannt. In diesen Bereichen sind die magnetischen Momente geordnet. Du kannst sie Dir wie winzige Magnete vorstellen. Sind die Domänen unterschiedlich ausgerichtet, muss das Eisenstück als Ganzes keine starke Magnetisierung aufweisen.

Ein äußeres Magnetfeld begünstigt das Wachstum der Domänen, deren Magnetisierung in Feldrichtung zeigt. Außerdem kann sich die Richtung der Magnetisierung verändern. Dadurch kann das Material insgesamt sehr stark reagieren. Näherst Du einen Magneten an Eisen an, kann es sich deutlich magnetisieren, auch wenn es zuvor keine benachbarten Metallstücke angezogen hat.

In Aluminium entsteht eine solche ferromagnetische Ordnung nicht... Der metallische Glanz allein sagt darüber nichts aus. Entscheidend sind die Eigenschaften der Elektronen und ihre Wechselwirkungen im Material. Diese Unterschiede in der magnetischen Ordnung erklären, warum zwei ähnlich aussehende Metalle auf denselben Magneten so unterschiedlich reagieren können.

 

Was bedeutet es, dass Aluminium paramagnetisch ist?

Ein paramagnetischer Stoff wird in Richtung eines angelegten Magnetfeldes schwach magnetisiert. In einem ungleichmäßigen Feld wird er in den Bereich gezogen, in dem das Feld stärker ist. Sobald das äußere Feld entfernt wird, verschwindet diese Magnetisierung. Durch das Reiben mit einem anderen Magneten kannst Du ein gewöhnliches Aluminiumstück daher nicht in einen Dauermagneten verwandeln. Der Begriff „paramagnetisch“ beschreibt die Art der Reaktion, verspricht aber keine auffällige Bewegung. Aluminium reagiert zwar auf ein statisches Magnetfeld. Die Anziehungskraft ist jedoch meist zu gering, um sein Gewicht oder die Reibung auf der Unterlage zu überwinden.

Daher wird Aluminium im Alltag häufig als „nicht magnetisch“ bezeichnet... Diese vereinfachte Beschreibung ist hilfreich, wenn Du wissen möchtest, ob ein Magnet daran haftet. Sie bedeutet jedoch nicht, dass Aluminium überhaupt nicht mit einem Magnetfeld wechselwirkt. Paramagnetismus und Wirbelströme müssen dabei getrennt betrachtet werden, da sie unterschiedliche Ursachen haben.

 

Wissenswertes über Aluminium – war es früher teurer als Gold?

Ja, im 19. Jahrhundert war Aluminium zeitweise teurer als Gold. Heute ist das kaum vorstellbar... Damals war es schwierig, größere Mengen dieses Metalls herzustellen. Sein hoher Preis lag an der aufwendigen Produktion und nicht daran, dass Aluminium in der Erdkruste besonders selten wäre. Dort gehört es vielmehr zu den häufigsten chemischen Elementen.

Den Wandel brachte ein elektrolytisches Verfahren, das Charles Martin Hall und Paul Héroult im Jahr 1886 unabhängig voneinander entwickelten. Damit ließ sich Aluminium wesentlich günstiger herstellen. Aus dem einst kostspieligen neuen Metall wurde mit der Zeit ein Material für alltägliche Getränkeverpackungen, die nach dem Austrinken entsorgt werden.

 

Weitere interessante Fakten über Aluminium und Magnete

Mit der Geschichte des Aluminiums ist auch der Name Hans Christian Ørsted verbunden. Er gab 1825 bekannt, dass er das Metall gewonnen hatte. Einige Jahre zuvor hatte er gezeigt, dass elektrischer Strom eine Kompassnadel ablenkt. Derselbe Forscher prägte damit sowohl die Geschichte des Leichtmetalls als auch die Erforschung des Zusammenhangs zwischen Elektrizität und Magnetismus... Eine überraschende Verbindung.

Kann Aluminium auch Bestandteil eines starken Magneten sein? Ja – es ist in Alnico-Legierungen enthalten, deren Name unter anderem auf Aluminium zurückgeht. Eine solche Legierung besitzt andere Eigenschaften als reines Aluminium.

Wird ein Stabmagnet in kleinere Stücke geteilt, besitzt jedes davon weiterhin einen Nordpol und einen Südpol. Selbst ein kleines Stück behält diese Anordnung. Ein Magnetpol ist schließlich kein eigenständiges Materialstück, das sich einfach abbrechen lässt.

 

Und warum hat ein Magnet immer einen Nordpol und einen Südpol?

Stell Dir vor, dass sich im Inneren eines Magneten viele winzige Magnete befinden, die alle in dieselbe Richtung zeigen. Das ist ein vereinfachtes Bild seines Aufbaus. Ihre Wirkungen addieren sich, sodass der gesamte Gegenstand einen Nordpol und einen Südpol besitzt.

Die Pole sind also keine zwei Teile, die jemand zusammengeklebt hat. Es ist nicht so, dass die eine Materialhälfte ausschließlich „Nord“ und die andere ausschließlich „Süd“ wäre. Der gesamte Magnet hat magnetische Eigenschaften, auch in seinem Inneren.

Ein Beispiel? Stell Dir einen langen Magneten vor, dessen Enden rot und blau bemalt sind. Rot steht für den Nordpol, Blau für den Südpol. Würdest Du ihn in der Mitte teilen, entstünden an den Schnittflächen neue Pole. Das Stück mit dem roten Ende bekäme an der Schnittfläche einen Südpol, das Stück mit dem blauen Ende einen Nordpol. Jede Hälfte wäre damit ein eigenständiger Magnet.

Warum ist das so? In beiden Teilen bleiben die „winzigen Magnete“ erhalten, mit denen wir die Erklärung begonnen haben. Das Teilen des Gegenstands beseitigt ihre Eigenschaften nicht... Es ist ein wenig so, als würdest Du eine Reihe von Kompassen in zwei Gruppen aufteilen: Jede Nadel hätte weiterhin zwei Enden. Deshalb entstehen kleinere Magnete und kein einzelner Nordpol oder Südpol.

 

Was zeigt der Magnettest tatsächlich?

Bevor Du das Ergebnis beurteilst, achte darauf, ob der Magnet ruht oder sich gegenüber dem untersuchten Metall bewegt. Ein spürbarer Widerstand während der Bewegung kann durch Induktion entstehen. Starkes Haften deutet dagegen auf ein Material hin, dessen magnetische Eigenschaften wesentlich stärker ausgeprägt sind als die von reinem Aluminium. Ein Test zu Hause liefert einen Hinweis. Erst wenn Du den Aufbau des Gegenstands kennst, kannst Du das Ergebnis sinnvoll einordnen.

 

Aluminium und Magnete – Fragen und Antworten

Wird Aluminium von einem Magneten angezogen?
Ja, allerdings nur sehr schwach. Deshalb lässt sich bei einem gewöhnlichen Versuch zu Hause meist keine sichtbare Anziehung feststellen.

Haftet ein Neodym-Magnet an Aluminium?
Ein Neodym-Magnet haftet normalerweise nicht an reinem Aluminium wie an einer Stahloberfläche. Bei einer Bewegung kann jedoch eine spürbare Bremswirkung entstehen.

Warum fällt ein Magnet langsamer durch ein Aluminiumrohr?
Der bewegte Magnet erzeugt im Aluminium Wirbelströme, deren Magnetfeld seiner Bewegung entgegenwirkt.

Lässt sich Aluminium dauerhaft magnetisieren?
Reines Aluminium bleibt unter gewöhnlichen Bedingungen nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes nicht dauerhaft magnetisiert. Auch durch Reiben mit einem Magneten wird es nicht zum Dauermagneten.

Warum zieht ein Magnet einen Aluminiumgegenstand stark an?
Unter einer Aluminiumverkleidung kann sich ein Stahlteil befinden. Deshalb sollte der Aufbau des Gegenstands genauer geprüft werden.

Wie unterscheiden sich Aluminium und Eisen in ihren magnetischen Eigenschaften?
Aluminium ist schwach paramagnetisch, während Eisen bei Raumtemperatur ferromagnetisch ist. Die Ausrichtung der magnetischen Domänen im Eisen ermöglicht eine deutlich stärkere Reaktion auf einen Magneten.

War Aluminium früher teurer als Gold?
Ja, im 19. Jahrhundert war Aluminium zeitweise teurer als Gold, weil seine Herstellung schwierig und kostspielig war.

 

Quellen:

• Aluminium, https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium
• Magnet, https://en.wikipedia.org/wiki/Magnet
• History of aluminium, https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_aluminium
• Allgemeine und Anorganische Chemie – Passivierung und Eigenschaften von Aluminium, https://www.cup.uni-muenchen.de/ac/kluefers/homepage/L_ac1.html
• Dia- und Paramagnetismus, https://lecture-experiments.phys.ethz.ch/experimente/9.5.10/
• Ferromagnetismus und magnetische Domänen – Energieminimierung und Domänen, https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw_for_et/kap_7/backbone/r7_2_1.html

 

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