Wie kann ich ein Magnetfeld abschirmen?

Den Unterschied kann man am besten über die Maxwell-Gleichungen verstehen. Zunächst einmal sind beides Felder, also Ansätze, ein physikalisches Verhalten über eine gewisse Distanz zu beschreiben und dadurch auf wirkende Kräfte zu schließen. Beide Felder unterscheiden sich jedoch in ihrer Natur:

Magnetfelder haben keine Quellen, besitzen also keinen Anfang und kein Ende und können deshalb insbesondere nicht an Materie „gestoppt“ werden. Sie werden außerdem durch elektrische Ströme erzeugt und dadurch, dass sich elektrische Felder zeitlich ändern.

Elektrische Felder besitzen Quellen, nämlich die (positiven und negativen) elektrischen Ladungen. Außerdem verändern elektrische Felder in der Gegenwart von elektrischen Ladungen ihren Verlauf. Elektrische Felder entstehen durch sich zeitlich ändernde Magnetfelder.

Wie man sieht sind die beiden Feldarten eng miteinander gekoppelt. Prinzipiell können sich elektrische und magnetische Effekte gegenseitig beeinflussen, und zwar in beide Richtungen. Allerdings ist diese Kopplung nicht symmetrisch, weil eines der Felder quellfrei ist und eines nicht. Außerdem gibt es noch eine weitere Asymmetrie: Magnetische Felder entstehen entweder aus sich zeitlich ändernden elektrischen Feldern oder aus Verschiebungsströmen, elektrische Felder nur aus sich zeitlich ändernden magnetischen Feldern.

Durch ihre Verbindung über die dritte und vierte Maxwell-Gleichung treten magnetische und elektrische Felder meistens gemeinsam, als elektromagnetisches Feld auf. Es gibt jedoch einen wichtigen Fall, bei dem diese Kopplung gelöst wird: nämlich bei zeitlich konstanten Strömen. In diesem Fall erzeugt der Strom nach Maxwell vier ein Magnetfeld, dass jedoch nach Maxwell drei kein elektrisches Feld erzeugt, weil es zeitlich konstant ist! Es gibt also statische Magnetfelder, die nicht mit elektrischen Feldern zusammenhängen.

Konkret hat dies für Abschirmungen zur Folge, dass niederfrequente Magnetfelder mit Hilfe von weichmagnetischen Legierungen abgeschirmt werden müssen, bei höherfrequenten Feldern (etwa ab dem kHz-Bereich) können auch nicht-ferromagnetische leitfähige Abschirmungen verwendet werden (oder Kombinationen bzw. mehrlagige Abschirmungen aus beiden).

Wie wirken magnetische Felder auf den Menschen?

Die Auswirkungen magnetischer Felder auf den menschlichen Körper sind sehr komplex. Am einfachsten ist die Wirkung des magnetischen Gleichfeldes zu verstehen. Wenn es relativ schwach ist, hat es keinen direkten Einfluss auf den menschlichen Körper. Bei hohen Feldstärken kann es jedoch im menschlichen Körper stattfindende Ladungsbewegungen und elektrische Felder beeinflussen. Das Resultat können im Extremfall unerwünschte Muskelkontraktionen sein.

Magnetische Wechselfelder übertragen Energie – auch in den Bioorganismus. Die Wechselwirkungen finden bei den in Lebewesen vorherrschenden komplexen Biomolekülen über angeregte Molekülschwingungen und -bewegungen statt. Physikalisch werden sie als Rotations- und Schwingungsmoden bezeichnet. Diese Moden benötigen jeweils unterschiedliche Energien, um angeregt zu werden. Es kann also passieren, dass man durch ein sehr breitbandiges Wechselfeld eine ganze Reihe verschiedener Moden zugleich anregt.

Letztendlich können Moleküle nicht nur schwingen; es ist auch möglich, sie durch Feldeinwirkungen zu zerstören. Geschieht das beispielsweise bei den Aminosäuren der Erbgutträger, dann kann es zu Mutationen kommen. Starke elektromagnetische Felder sind deshalb auch langfristig mitunter sehr schädlich.

Unabhängig von den anderen Auswirkungen sei an dieser Stelle noch einmal deutlich darauf hingewiesen, dass magnetische Felder Implantate wie z. B. Herzschrittmacher in lebensgefährlicher Weise beeinflussen können, lange bevor der menschliche Körper von den direkten Feldwirkungen in Mitleidenschaft gezogen wird.

Wie wirken magnetische Felder auf Elektronikgeräte?

Bei den Auswirkungen magnetischer Felder auf Elektronikgeräte kann zwischen den Effekten von Gleich- und Wechselfeldern unterschieden werden. Ein Magnetfeld kann andere magnetische Bauteile direkt, nur durch seine Anwesenheit, beeinflussen. Beispielsweise besitzt ein Transformator in der Regel einen weichmagnetischen Kern, der magnetische Felder leitet. Nicht nur die im Trafo selbst erzeugten Felder, sondern auch externe Felder können einkoppeln.

Ein Gleichfeld wird dazu führen, dass der Trafo magnetisch vorbelastet wird und dadurch die „Reserven“, die dem Trafo für seine eigentliche Aufgabe zugedacht sind, verringert werden. Schlimmstenfalls wird der Transformator durch ein Störfeld so vorgesättigt, dass das Material keine weiteren Magnetfelder mehr aufnehmen kann und sich für die eigentlichen Nutzströme so verhält als hätte er keinen Eisenkern.  Besonders kritisch ist dies bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, wie beispielsweise Stromwandlerkernen, die die kurzschlussfreie Übertragung von teils hohen Strömen überwachen sollen.

Ein Wechselfeld kann in einem Trafo eine unregelmäßige Vorbelastung hervorrufen, die unter Umständen zusammen mit dem eigentlichen Nutzsignal übertragen wird. So kann es zum Beispiel bei Audioübertragern zu akustischen Störungen kommen.

Häufig werden auch Spannungen in leitfähige Objekte induziert und dadurch fließen Ausgleichsströme. Diese Ausgleichsströme können einzelne Komponenten in Geräten überlasten und zerstören. Aber auch Gefährdungen für Personen sind möglich. Die Induktion einer Spannung setzt ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld voraus. Deshalb spielt sie nur dann eine Rolle, wenn das Magnetfeld kein Gleichfeld ist – es sei denn das Objekt selbst bewegt sich relativ zum Feld hinreichend schnell.

Auch zahlreiche andere Formen der Beeinflussungen sind denkbar: Stromkabel können im Magnetfeld eine Lorenzkraft erfahren, Gegenstände unerwünscht angezogen werden. Die Auswahl an Effekten ist sehr breit und vom jeweiligen Gerät abhängig.

Wie hängen Magnetfelder mit EMV zusammen?

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschäftigt sich mit der Vermeidung von elektrischen Störungen. Das beinhaltet einerseits leitungsgebundene Störungen, wie beispielsweise durch Common-Mode und Differential-Mode Störsignale in elektrischen Netzen. Andererseits hängen aber Stromflüsse immer auch mit Feldabstrahlungen und Felder mit induzierten Störströmen zusammen. Elektromagnetische Störungen können also nicht nur durch die Luft von einer Leitung auf eine andere übertragen werden, sondern auch von elektromagnetischen Felder herrühren, die teilweise aus relativ großer Entfernung einwirken.

Der Begriff der EMV spielt sich für die meisten Betroffenen im Frequenzbereich >1 kHz ab, nämlich in dem Frequenzbereich in dem die  Oberwellenfrequenzen von Frequenzumrichtern liegen. Gerade der Bereich der Antriebstechnik, der in nahezu allen industriellen Bereichen präsent ist, spielt hier eine große Rolle. In diesem Frequenzbereich spielen weichmagnetische Abschirmungen gegen Magnetfelder nur noch eine untergeordnete Rolle (und wenn dann in Kombination mit hochleitfähigen Materialien). Das bedeutet nicht, dass weichmagnetische Legierungen wie beispielsweise MUMETALL® hier nicht wirken – sie konkurrieren hier aber mit Kupfer und Aluminium, die nicht nur in Bezug auf das Rohmaterial kostengünstiger sind, sondern sich auch leichter bearbeiten lassen.

Die niederfrequente EMV ist auf weichmagnetische Abschirmungen in einem sehr großen Maße angewiesen. Wie bereits an anderer Stelle angedeutet liegt bei Gleichfeldern eine Entkopplung der magnetischen und der elektrischen Felder vor. Und auch bei niedrigen Feldfrequenzen ist die Kopplung nicht sehr stark. In diesem Fall muss also eine Abschirmung der magnetischen Felder über weichmagnetische Legierungen erfolgen. In guter Näherung ist dies bis in den niedrigen kHz-Frequenzbereich der Fall.

Welche magnetischen Felder gibt es?

Magnetische Felder gehören zum menschlichen Alltag und haben verschiedene Ursachen. Einige der Ursachen und Auswirkungen sollen hier ausführlicher dargestellt werden.

Überall präsent ist das Erdmagnetfeld, ein magnetisches Gleichfeld, das durch den eisenhaltigen Kern der Erde verursacht wird. Es hat in guter Näherung die Feldform, die ein von Nord nach Süd durch den Planeten gesteckter Stabmagnet hätte. Dieses Feld ist für den Menschen von großem Nutzen. Es gilt als erwiesen, dass das Erdmagnetfeld Teile der kosmischen Strahlung ablenkt und so den Menschen vor einer hohen Strahlenbelastung und deren Folgen (erhöhte Mutationsraten, höheres Krebsrisiko usw.) schützt. Auch einen viel trivialeren Nutzen hat das Feld: Der über Jahrhunderte von Menschen genutzte Kompass richtet sich am Erdmagnetfeld aus. Das Erdmagnetfeld hat jedoch auch Nachteile, vor allem für die Wissenschaft. Für einige Experimente (beispielsweise im Bereich der Quantengravitationsforschung und der Atomphysik) ist ein möglichst feldfreier Raum nötig. Hier ist eine magnetische Abschirmung nötig, um definierte Bedingungen für Experimente zu schaffen.

Im niederfrequenten Bereich spielen vor allem das Bahnnetz (16 2/3 Hz) und das Versorgungsnetz (D: 50 Hz) eine Rolle, weil diese Feldquellen für „Otto-Normal-Bürger“ kaum zu vermeiden sind. Fast jedes Haus ist mit einem Stromanschluss versehen, in urbanen Gebieten sind oft auch Bahngleise in der Nähe. Diese Felder sind messbar, liegen jedoch in der Regel weit unter den gesetzlichen Grenzwerten.

Weitere magnetische Feldquellen sind die Felder von Haushaltselektronik, die (neben dem 50 Hz-Feld des Netzes) im höheren Frequenzbereich zu finden sind. In diesen Geräten werden inzwischen aus Gründen der Energieeffizienz oft Schaltnetzteile, getaktete Stromversorgungen, verwendet. Im Gegensatz zum 50 Hz-Wechselstromnetz, das eine mehr oder weniger sinusförmige Stromform aufweist, bedeuten getaktete Versorgungsgeräte, dass die Ströme aus Blöcken bestehen. Diese Blöcke kann man sich als eine Addition von unendlich vielen Sinus- und Cosinus-Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden vorstellen (Fourier-Zerlegung). Die Ströme, die durch die entsprechenden Geräte fließen, bestehen deshalb aus einer großen Anzahl von Signalen mit verschiedenen Frequenzen, die Felder in die Umgebung abstrahlen. Je höher die einzelnen Frequenzen werden, desto geringer werden tendenziell die Anteile dieser Oberschwingungen an der Gesamtstärke des Stromes. Tatsächlich kann es jedoch aufgrund der Details im Aufbau und in der Taktung der Bauteile zu einigen unerwarteten Störfeldern kommen.

Am kritischsten sind sicherlich die industriellen Magnetfelder zu sehen. Denkt man an Anlagen zum „Aufschießen“ von Permanentmagneten, an Induktions-Heizanlagen und an MRT-Geräte, dann kann man sich leicht vorstellen, dass die hier generierten Felder deutlich stärker sind als diejenigen, die von Haushaltsgeräten verursacht werden. Nicht ganz zufällig werden deshalb in diesem Bereich auch die meisten magnetischen Abschirmungen benötigt.

Wie gefährlich sind magnetische Felder?

Die Vorschriften, Regelungen und Richtlinien, die sich mit den Grenzwerten für magnetische Felder beschäftigen, füllen ganze Bücher. Es ist deshalb schwer, an dieser Stelle eine kurze Antwort auf die Frage zu geben.

Wie in den meisten Fällen gilt hier der alte Spruch: „Die Dosis macht das Gift“. Das Erdmagnetfeld wird generell als ungefährlich angesehen, ebenso wie die Haushaltselektronik und die häusliche Stromversorgung. Es gibt jedoch Menschen, die angeben, diese Felder wahrnehmen zu können und von ihnen beeinflusst zu werden. Auch wenn dafür streng wissenschaftliche Belege fehlen, so lässt sich doch zumindest als Gegenargument führen, dass es verschiedenen Tierarten, wie z. B. einigen Vögeln und Meerestieren, möglich ist, sich am Erdmagnetfeld zu orientieren. Auch besteht die Möglichkeit, dass Sekundäreffekte wie beispielsweise kaum hörbares Trafobrummen einen unterbewussten Einfluss ausüben.

Zu unterscheiden ist auf jeden Fall zwischen statischen oder niederfrequenten und höherfrequenten oder gepulsten elektromagnetischen Feldern. Höherfrequente oder gepulste elektromagnetische Felder sind energiereicher als statische oder niederfrequente Felder. Dies wird in den Grenzwerten oder Empfehlungen entsprechend berücksichtigt. Dem statischen Magnetfeld der Erde sind wir von Anbeginn des Lebens ständig ausgesetzt (auch wenn es in einer technischen Umgebung verzerrt oder geschwächt ist). Stärkere niederfrequente Magnetfelder finden sich in unmittelbarer Nähe von Haushaltsgeräten, sie nehmen jedoch mit dem Abstand schnell ab. Die Gleichfelder in medizinischen Kernspintomographen liegen bei wenigen Tesla, das ist in etwa das doppelte wie unmittelbar auf den Polflächen der stärksten Industriemagnete. Neuere Kernspintomographen können Feldstärken bis an die 10 Tesla erzeugen, das ist ca. 200.000 mal mehr als das Erdmagnetfeld in unseren Breiten.

Welche Grenzwerte für magnetische Felder gibt es?

Magnetische Felder hinsichtlich ihres Einflusses auf lebende Organismen zu bewerten ist äußerst kompliziert. Dabei ist weniger die Bereitstellung der Magnetfelder das Problem. Magnetfelder lassen sich mit technisch vertretbarem Aufwand definiert generieren und steuern. Die Komplexität organischer Moleküle und die Schädigungs- und Reparationsmechanismen im menschlichen Körper sind der (zumindest für Physiker) schwer fassbare Teil der Problematik.

Weltweit gibt es verschiedene Organisationen, die sich mit Konzepten beschäftigen, um die Auswirkungen von Magnetfeldern auf organischer Moleküle zu verstehen und zur Ermittlung von Grenzwerten und Vorschriften zu nutzen.

International ist dies beispielsweise die ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection), die entsprechende Richtlinien erstellt hat, die oft auch von nationalen Kommissionen aufgegriffen und weiter verarbeitet werden.

Auf nationaler Ebene sind hier besonders die Berufsgenossenschaften zu nennen, deren Vorschriften und Regelungen vor allem für Arbeitgeber relevant sind. Die Vorschrift DGUV 15 (bisher BGV B11 Unfallverhütung – Elektromagnetische Felder) kann über diesen Link von der Website der Berufsgenossenschaft Holz und Metall heruntergeladen werden.

Auch der deutsche Gesetzgeber widmet mit der 26. BImSchV (Verordnung über elektromagnetische Felder) diesem Thema eine Verordnung.

Die BImSchV hat hier sowohl für private als auch für gewerbliche Nutzung bindenden Charakter. Die BGV B11 wendet sich insbesondere an den gewerblichen Sektor, während die ICNIRP in erster Linie ein wissenschaftlicher Leitfaden ist, der Empfehlungscharakter hat.

Zum Bild: "Die meisten technischen Magnetfelder sind zumindest nach Meinung des Gesetzgebers für den Menschen ungefährlich. Gefährlich kann es nur im Haushalt oder beim Arzt werden. Aber das ist eine Binsenweisheit."

Wie funktionieren magnetische Abschirmungen?

Grundlegend kann eine Abschirmung magnetischer Felder nach drei Prinzipien erfolgen:

Flussumleitung: Magnetische Felder besitzen keine Quellen oder Senken an denen sie beginnen oder enden. Es ist also nicht möglich, wie bei einem elektrischen Feld einen „magnetischen  Isolator“ oder eine „Schutzschicht“ zu verwenden, an der die magnetischen Feldlinien „abprallen“ oder enden. Das magnetische Feld wird stattdessen mit einem hochpermeablen Material dazu gebracht, lieber den Weg durch die Abschirmung zu nehmen. Das lässt sich physikalisch damit erklären, dass die Abschirmung dem Magnetfeld einen energetisch günstigeren Weg zur Verfügung stellt. Für eine gute Abschirmung ist aus diesem Grund wichtig, dass sie genug Feld tragen kann, und dass sie die Feldlinien hinreichend stark in sich hinein zieht. Beides ist vom Material und der Geometrie abhängig.

Feldschwächung durch induzierte Gegenfelder: Magnetische Gleichfelder können nur umgeleitet werden. Verändert sich das Feld jedoch zeitlich, dann kann man eine Abschirmung über die Induktion von Kreisströmen erzielen. Nähere Informationen zu diesem Mechanismus siehe: Gibt es Gewebe, die Magnetfelder abschirmen?

Abstand: Wenn man sich den Luxus leisten kann, mehr Platz zwischen Störquelle und Störsenke zu schaffen, dann ist Abstand sicherlich die billigste und unproblematischste Art der Abschirmung. Leider gibt es keine magnetischen Isolatoren, deshalb bringt es hier nichts, irgendein nicht-ferromagnetisches „Isolationsmaterial“ einzubringen, es wird sich genau wie Luft bzw. Vakuum verhalten.

Das Bild zeigt schematisch die Flussführung der magnetischen Feldlinien in einen Kubus aus einer weichmagnetischen Legierung.

Wie funktioniert eine aktive magnetische Abschirmung?

Magnetische Felder können bewusst generiert werden, entweder durch Ströme, die dann Felder hervorrufen, oder mit Hilfe von Permanentmagneten. Letztere haben den Vorteil, dass sie keine aktive Energiequelle benötigen, können aber nur mechanisch „geregelt“ werden. Deshalb bietet sich für die aktive magnetische Schirmung die Kompensation durch Felder an, die von Strömen hervorgerufen werden.

Problematisch ist in jedem Fall der Parameter „Zeit“. Ein homogenes magnetisches Gleichfeld zu kompensieren ist nicht sehr schwer, wenn entsprechender Platz vorhanden ist. Oft verwendet man hier eine Helmholtz-Spule. Kritisch wird die Kompensation, wenn sich das Magnetfeld in Zeit und/oder Ort verändert. In diesem Fall ist eine Regelung nötig, die das Feld detektiert und entsprechende Gegenfelder generiert. Die Regelung ist (je nachdem welche Störamplituden verlangt werden und wie schnell die Kompensation erfolgen muss) mitunter sehr anspruchsvoll.

Warum sollen magnetische Abschirmungen (möglichst) geschlossen sein?

Um unnötige Streuflüsse zu vermeiden. Magnetische Felder fließen zwar deutlich lieber durch weichmagnetisches Material als durch Luft, aber Streuflüsse treten dann auf, wenn ein flussführendes Objekt abrupt endet oder magnetisch überfordert wird.

Dies ist in den beiden unten abgebildeten FEM-Simulationsbildern zu erkennen. Im linken Bild ist ein Kasten mit zwei Schlitzen abgebildet, bei dem die Einstreuung bis weit in das Objektinnere erkennbar ist, das rechte Bild zeigt das Ende einer weichmagnetischen Platte, auf das ein Störfeld mit dem Ursprung in der rechten unteren Bildecke einwirkt.

Der Hauptgrund, warum Streuflüsse überhaupt auftreten und warum sie einen so weitreichenden Einfluss haben ist der Unterschied in den Permeabilitäten von Luft und weichmagnetischem Material. Wird das Feld in der Abschirmung geführt, dann können dort die Feldlinien sehr eng zusammen verlaufen, die „Fassungskapazität“ des Materials ist sehr hoch. Tritt das Feld aus dem Material, dann fasert es auf, weil nicht mehr so viel Feld auf engem Raum bestehen kann wie im Material. Deshalb wirken sich Luftspalte (wie z. B. Löcher, Spalte usw.) über eine große Entfernung aus.

Welche Legierungen sind für magnetische Abschirmungen geeignet?

Hier soll ein kurzer Überblick über die recht breite Auswahl magnetischer Abschirmlegierungen gegeben werden.

MUMETALL®

Ist eine Legierung, die zu etwa 80 % aus Nickel besteht, der Rest ist hauptsächlich Eisen und Kupfer oder Molybdän. MUMETALL® ist sehr hochpermeabel, neigt jedoch dazu in starken magnetischen Feldern schnell zu sättigen.

Die Bearbeitung der Legierung ist durch den hohen Nickel-Anteil anspruchsvoll. Nach der Bearbeitung wird eine magnetische Schlussglühung dringend empfohlen.

MUMETALL® bietet durch seine hohe Permeabilität als geschlossene Abschirmung die Möglichkeit, magnetische Feldlinien streufeldarm zu binden. Zu den besonderen Anwendungsgebieten von MUMETALL® gehört die Abschirmung von sehr magnetfeldempfindlichem Geräten. Dabei kann es sich um Forschungsgeräte handeln, aber auch um medizinisch oder industriell genutzte Geräte.

Ein Beispiel für eine solche Abschirmungen sind hochpräzise Nullfeldkammern, die zur Eichung von magnetischen Sonden genutzt werden und dabei nicht nur das (relativ schwache) Erdmagnetfeld, sondern auch in der Umgebung auftretende Felder (vor allem durch techn. Geräte) abschwächen sollen. Ein anderes Beispiel sind Abschirmungen für Hörgeräte, die eine Beeinflussung durch eingekoppelte Felder niedriger und mittlerer Frequenzen vorbeugen sollen.

Im Einflussbereich starker Feldern eignet sich MUMETALL® weniger, es sei denn es wird durch eine Kombinationsabschirmung geschützt oder kann in extremen Materialstärken verwendet werden (was aber wirtschaftlich meist unsinnig ist). Der Grund dafür ist, dass weichmagnetische Legierungen (und insbesondere MUMETALL®) nur eine begrenzte Feldmenge aufnehmen können und „überzähliges“ Feld als Streufeld die Umgebung der Abschirmung kontaminiert. Hier sind Legierungen mit einem höherem Eisenanteil empfehlenswert, beispielsweise PERMENORM® 5000 H2, WEICHEISEN oder VACOFLUX® 50, die über eine höhere Sättigungsmagnetisierung verfügen.

PERMENORM® 5000 H2

Besteht aus rund 50 % Nickel und 50 % Eisen (mit etwas „Kleinkram“). Falls die Feldstärken für MUMETALL® zu hoch sind, aber trotzdem noch eine annehmbare Permeabilität verlangt wird kann oft PERMENORM® 5000 H2 eingesetzt werden.

Diese Legierung hat sich beispielsweise als weichmagnetisches Material für Relaisteile oder als Abschirmung in der Umgebung von Netzteilen und Transformatoren bewährt.

Auch hier gelten die unter MUMETALL® genannten Bemerkungen zu magnetischer Glühung und Materialbearbeitung.

WEICHEISEN

Eine sehr reine Eisenlegierung mit spezifizierten magnetischen Werten (im Gegensatz zu „Baustahl“), die hohe Magnetfeldstärken führen kann, jedoch hinsichtlich der Permeabilität eingeschränkt ist.

Weicheisen wird nicht nur für magnetische Abschirmungen verwendet, sondern auch für Magnetjoche und flussführende Teile zur Felderzeugung. Auch eine Kombination zusammen mit einer anderen Abschirmlegierung wie MUMETALL® oder PERMENORM® 5000 H2 in Form einer mehrlagigen Abschirmung ist üblich.

WEICHEISEN ist vergleichsweise korrosionsanfällig und sollte deshalb einen Oberflächenschutz erhalten.

VACOFLUX® 50

Eine Speziallegierung aus Kobalt und Eisen für höchste magnetische Sättigungswerte und (in dieser Beziehung) Weltrekordhalter. Die Verwendungsmöglichkeiten für Abschirmungen sind eingeschränkt, weil die Permeabilität von VACOFLUX-Legierungen nicht sehr hoch ist. Die Fähigkeit hohe Flüsse zu leiten macht sie jedoch zu einer sehr interessanten Legierung für Magnetjoche, Flusskonzentratoren und für flussleitende Elemente in elektrische Maschinen.

Silizium-Eisen

Diese hauptsächlich im Transformatorenbau und in elektrischen Maschinen eingesetzte Legierungsfamilie kann auch für Abschirmungen verwendet werden. Durch einen etwa 3 %igen Zusatz von Silizium wird die Leitfähigkeit der Legierung im Vergleich zu reinem Eisen reduziert, was Wirbelströme und damit die Erwärmung in höherfrequenten Magnetfeldern vermindert.

Die Abbildung zeigt die relative Permeabilität von weichmagnetischen Legierungen sowie die Abschirmfaktoren von Würfeln aus diesen Legierungen mit verschiedener Kantenlänge.

Kann ich MUMETALL® als Platte oder Stange bekommen?

Um diese Frage einfach zu beantworten ist hier eine übersichtliche Tabelle der verschiedenen Legierungen und ihrer Lieferformen abgebildet. Grüne Kreise markieren übliche Abmessungen, gelbe Rauten ungewöhnliche Lieferformen (die oft mit Mindestmengen oder zusätzlichen Kosten verbunden sind. Rote Kreuze zeigen an, dass die Legierung in dieser Form prinzipiell nicht lieferbar ist (was meist technische Gründe hat).

Bitte beachten: Magnetische Halbzeuge werden i.d.R. ohne Wärmebehandlung geliefert. Ausnahmen sind Abschirmfolien aus MUMETALL®, VITROVAC® und VITROPERM® (VITROLAM®)

Gibt es weichmagnetische Verbundwerkstoffe oder Kunststoff-Verbindungen, die Magnetfelder abschirmen können?

Jein. Es gibt Kunststoff-Verbundwerkstoffe, die weichmagnetische Späne, Nanopartikel, Fragmente oder Pulver enthalten, mit deren Hilfe Magnetfelder geschirmt werden können. Da aber der Luftspalt (bei diesen Materialien ist er über die ganze Geometrie verteilt) einer magnetischen Abschirmung deren effektive Permeabilität stark senkt können diese Materialien in der Regel nicht für die Abschirmung niederfrequenter Magnetfelder verwendet werden. Es wird einfach nicht genug Feld „gefangen“ und „geleitet“.

Gibt es Gewebe, die Magnetfelder abschirmen können?

Auch hier gilt: Jein! Durchdringt ein Magnetfeld eine Leiterschleife (z. B. eine Masche eines Abschirmgewebes), dann wird ein Kreisstrom induziert, der dem auslösenden Feld entgegenwirkt und es schwächt (Lenz’sche Regel). Dieser Effekt ist im Prinzip derselbe, der auch in einer Kupferplatte auftritt (die nicht ferromagnetisch ist und kein Magnetfeld leiten kann).

Wenn es sich um ein statisches Feld (DC) handelt, dann klingt diese Schirmwirkung nach dem „Einschalten“ des Feldes schnell ab und das Magnetfeld erreicht innerhalb kürzester Zeit wieder seinen ungeschirmten Wert. Ist das Feld nicht konstant/statisch, dann tritt dieser Dämpfungseffekt immer dann auf, wenn sich das Feld verändert. Bei Frequenzen unterhalb des kHz-Bereiches ist die Dämpfungswirkung immer noch recht gering. Erst wenn sich das Feld so schnell ändert, dass es quasi ständig gegengedämpft wird, werden Abschirmgewebe (bzw. elektrisch leitfähige Abschirmungen) interessant (>10 kHz).

Generell hat aber jedes leitfähige Material diese Dämpfungswirkung, denn ob der induzierte Gegenstrom in einer Platte/Folie verläuft oder einer Gewebemasche ist im Prinzip egal. Die Schirmwirkung durch das induzierte Gegenfeld ist umso stärker, je geringer der spezifische Widerstand des Materials ist. Die besten Dämpfungen erzielt man deshalb mit Kupfer, Gold, Silber und Aluminium, aber auch MUMETALL® und Silizium-Eisen dämpfen zusätzlich zur magnetischen Feldumleitung nach diesem Schema magnetische Felder!

Wie sollte man bei der Auslegung einer magnetischen Abschirmung vorgehen?

Zunächst müssen Sie einige Informationen zu Ihrer Anwendung beschaffen. Grundlegende Fragen dafür sind:

Welche Frequenz stört? Ist es ein Gleichfeld (z. B. das Erdmagnetfeld oder das Feld eines Permanentmagneten), ein niederfrequentes Wechselfeld (z. B. Bahntrasse, 50 Hz-Hausstromnetz) oder ein höherfrequentes Wechselfeld?

Wie hoch ist die störende Feldstärke? Bei Gleichfeldern kann dies relativ unkompliziert mit einer Hallsonde gemessen werden, bei höheren Frequenzen (oder mehreren Störfrequenzen parallel) kann die Messung problematischer sein. Wir bieten für diesen Zweck das Messsystem MFA-110 an, führen aber auch Auftragsmessungen durch.

Wie stark muss das Feld reduziert werden? Je nach Anwendung sind die Anforderungen an eine Abschirmung sehr unterschiedlich. Abschirmungen von Großtransformatoren erlauben üblicherweise deutlich mehr Restfeld als eine Nullfeld-Kammer zur Eichung einer Magnetfeldsonde oder ein Labor zur Messung von Gehirnströmen.

Welchen Platz habe ich? Je nach zur Verfügung stehendem Platz bieten sich verschiedene Abschirm-Szenarien an. Kritisch wird es vor allem, wenn eine Abschirmung in ein bereits fertig entwickeltes Produkt „nachgerüstet“ werden muss.

Mit den Antworten auf diese Fragen können Sie Kontakt zu den technischen Ansprechpartnern bei der SEKELS GmbH aufnehmen.

Was sollte man abschirmen? Feldquelle oder Senke?

Diese Frage wird uns sehr häufig gestellt. Trotzdem kann hier keine pauschale Antwort gegeben werden.

Eine Abschirmung der Quelle hat den Vorteil, dass dadurch unter Umständen mehrere Senken geschützt werden. Außerdem wird die generelle Feldbelastung in der Umgebung reduziert. Dafür ist der Aufwand meist höher, weil dickeres Material (eventuell sogar mehrlagig) benötigt wird. Außerdem wird im Falle höherfrequenter Felder eine größere Menge Energie in die Abschirmung eingebracht.

Die Senke abzuschirmen lohnt sich hauptsächlich dann, wenn nur eine oder wenige Senken betroffen sind, wenn die Quelle aus Platz- oder Aufwandsgründen nicht abgeschirmt werden kann oder die Feldstärken dort so hoch sind, dass eine Abschirmung technisch nicht möglich ist. Die Senke ist oft mit weniger Materialaufwand zu schützen, dafür wird das eigentliche Problem nicht gelöst. Und möglicherweise werden später beispielsweise neue Geräte angeschafft, die auch neue Senken darstellen.

Was ist die magnetische Permeabilität µr?

Die relative magnetische Permeabilität ist zunächst einmal in einfachen Worten beschrieben die Neigung eines Materials, magnetische Feldlinien in sich aufzunehmen und zu leiten. Ein hochpermeableres Material wird einen größeren Teil eines Feldes aufnehmen als ein niederpermeables. Deshalb sind hochpermeable Legierungen per se gut geeignet, um magnetische Felder möglichst restlos „aufzusaugen“.

µr ist abhängig von der Legierung, der magnetischen Aussteuerung (Anfangspermeabilität, Maximalpermeabilität), der Frequenz (Wirbelströme dämpfen die Permeabilität. Wie stark hängt bei metallischen weichmagnetischen Werkstoffen von der Banddicke und der elektrischen Leitfähigkeit ab) und der Geometrie (die Herstellerangaben gelten fast immer für geschlossene magnetische Kreise. Luftspalte und Öffnungen reduzieren die Permeabilität).

Was sind Streufelder?

Magnetische Felder können in ihrem Verhalten durch weichmagnetische Legierungen beeinflusst werden. Maßgeblich dafür, wie stark eine Legierung in der Lage ist den Feldverlauf zu verändern, ist die Permeabilität des Materials. Ein hochpermeables Material hat die Neigung, Felder strak abzulenken und lässt dabei nur wenig Feld „übrig“, das nicht in das Material hineingezogen wird. Dieses Restfeld, das nicht geleitet wird, ist ein Streufeld. Der Name soll darauf hindeuten, dass Streufelder nicht sinnvoll geführt werden, sondern „in der Gegend herum“ streuen.

Streufelder können also mehrere Ursachen haben:

Wenn ein weichmagnetisches Material keine hohe Permeabilität hat, dann lässt es mehr Feld „übrig“, das als Streufeld wirkt. Beispiel für ein solches hochpermeables Material ist MUMETALL®. „Gewöhnliche“ Stahl- und Eisenwerkstoffe sind eher niederpermeabel.

Wenn ein weichmagnetisches Material magnetisch gesättigt ist, dann ist das Feld das „keinen Platz mehr“ in der Abschirmung findet ebenfalls ein Streufeld. Dieser Effekt hängt jedoch nicht direkt mit der Permeabilität zusammen, sondern mit der Sättigungsmagnetisierung. Hochpermeable Werkstoffe sättigen unpraktischerweise besonders leicht. So kann beispielsweise MUMETALL® schon durch relativ schwache Felder „überfordert“ werden.

Luftspalte, Kanten und Öffnungen produzieren ebenfalls Streufelder. Wann immer das Magnetfeld durch eine weichmagnetische Legierung geführt wird, die dann abrupt eine Kante bildet wird es hier zu Streuungen kommen. Diese Felder können umso drastischer ausfallen, wenn die Schirmung beispielsweise nur aus einer Platte besteht. In den folgenden Bildern ist dieses Verhalten an den Rändern einer Abschirmplatte gezeigt. Rote Farbtöne weisen hier auf besonders hohe Magnetfeldstärken hin.

Kann man magnetische Abschirmungen simulieren?

„Im Prinzip ja, aber…“

Magnetische Feldlinien gehorchen physikalischen Gleichungen und die lassen sich mit Hilfe von 2D- und 3D-FEM-Programmen sehr gut nachbilden. Das „aber“ liegt in diesem Fall in den Details. Toleranzen, Stoßstellen und andere praxisbedingte Abweichungen wirken sich bei magnetischen Abschirmungen (und bei magnetischen Kreisen generell) sehr stark aus, weit stärker als die Geometrien vermuten lassen. Das hat vor allem mit dem nichtlinearen Verhalten magnetischer Materialien zu tun. Auch Einflüsse wie beispielsweise die magnetische Glühung und die Auswirkung von mechanischen Verspannungen nach Abschluss der Fertigung lassen sich wenn, dann nur unter größten Schwierigkeiten quantifizieren.

Die Simulation sehr einfacher Geometrien ist in der Regel unproblematisch und gibt eine gute, grobe Näherung der Schirmwirkung an. Aber der Versuch, beispielsweise den Schirmfaktor einer mehrlagigen Abschirmung mit Flanschen, Stoßstellen, Bohrungen und verschiedenen Schirmmaterialien genau zu berechnen ist nach unserer Erfahrung sehr schwierig und das Ergebnis kann von der Realität mehr oder weniger deutlich abweichen. Vor allem täuschen entsprechende Programme durch die Angabe von präzisen Ausgabewerten eine Genauigkeit vor, die nur in sehr wenigen Fällen erreicht werden kann.

Um mit Hilfe einer Simulation sinnvolle Ergebnisse zu erhalten bleibt nur die Möglichkeit, sämtliche Toleranzen nach „worst-case“-Fällen zu durchforsten, die entsprechenden Abmessungen im Programm zu variieren und die Ergebnisse zu vergleichen. Da sich bei komplexen Anordnungen eine ganze Menge dieser Variablen ergeben, ist eine solche Simulation recht arbeitsintensiv.

Wir halten es deshalb mit einer gesunden Mischung aus analytischen Berechnungen, Simulationen, der Herstellung und Vermessung von Mustern und vor allem Erfahrung, um Abschirmprobleme zu beurteilen und zu lösen.

Abschirmungen aus MUMETALL®-Folie

Folien bieten einige interessante Vorteile. Dazu gehört zum einen die Möglichkeit, sie schnell und ohne aufwändige Bearbeitung umformen zu können. Außerdem sind Folien in den meisten Fällen bereits magnetisch geglüht worden, müssen also nach dem Formen nicht mehr geglüht werden.

Es ist durchaus sinnvoll, beispielsweise ein Gerät zunächst mit Folien zu überdecken, um zu testen ob überhaupt ein Abschirmproblem besteht und falls ja ob es mit einer Abschirmung gelöst werden kann. Wenn die Experimente erfolgsversprechend verlaufen, kann man sich immer noch Gedanken um die Anschaffung einer „ordentlich“ gefertigten und geglühten Abschirmung machen.

Abschirmfolien aus MUMETALL® sind beispielsweise über den Webshop der SEKELS GmbH (bald wieder) oder über den direkten Vertriebskontakt erhältlich.

Bei der Verwendung von MUMETALL®-Abschirmfolien soll noch einmal auf einige Punkte hingewiesen werden:

Folien sind dünn… Um eine Abschirmung zu simulieren, die einen halben Millimeter dick ist muss man eine ganze Menge Lagen übereinander legen.

Folien sind dünn… und scharf… Wir empfehlen dringend die Verwendung von Schutzhandschuhen und (bei amorphen Folien) auch Schutzbrillen.

Schneiden: MUMETALL®-Folien lassen sich recht gut mit Scheren schneiden. Wir empfehlen jedoch eher den Typ „Geflügelschere“ als die feine Papierschere aus dem „Origami-Bastelset“, das könnte sonst zu unnötigem Verschleiß führen.

Falten: Durch die Foliendicke und die Tatsache, dass MUMETALL® sehr weich ist lässt sich das Material gut biegen und falten. Wir möchten jedoch davon abraten, das Material mit zu geringem Biegeradius zu biegen oder wie ein Stück Papier scharf zu falten. Dadurch werden die magnetischen Schirmungseigenschaften irreversibel geschädigt.

Überlappungen: Magnetische Felder dringen durch Luftspalte in einer Intensität ein, die deutlich höher ist als man von einer reinen Geometriebetrachtung ausgehend ahnen würde. Vermeiden Sie deshalb Luftspalte und schaffen sie entsprechenden, gut anliegenden Überlapp zwischen verschiedenen Folienstücken.

Nickel-Allergie: Nickel ist eines der Elemente, gegen das erstaunlich viele Menschen (vor allem wenn sie häufig damit in Berührung kommen) Kontaktallergien entwickeln. Und bei einer Legierung wie MUMETALL®, die zu etwa 80 % aus Nickel besteht kann das durchaus passieren. Kontaktallergien sind in der Regel bestenfalls nervig, können aber durch die Benutzung von Handschuhe vermieden werden.

Abschirmungen aus VITROVAC®-Folie

Kristalline weichmagnetische Materialien (z. B. MUMETALL®) müssen zur Optimierung der Permeabilität einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Hierdurch sind solche Legierungen im optimalen magnetischen Zustand mechanisch relativ weich und wenig belastbar. Elastische Spannungen und insbesondere plastische Verformungen reduzieren die Permeabilität und damit die Abschirmwirkung deutlich.

Abschirmfolien und -bänder aus der amorphen Legierung VITROVAC® 6025 I50X zeigen dagegen eine für Weichmagnetika ungewöhnliche Kombination von mechanischer Härte und Flexibilität mit einer gegenüber MUMETALL®-Folie deutlich höheren Permeabilität.

Ein weiteres wesentliches Merkmal von VITROVAC® 6025 I50X ist die weitgehende Unempfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften gegen elastische Verformung. Eine plastische Verformung wie z. B. bei geglühten MUMETALL®-Folien erfolgt selbst bei geringen Biegeradien nicht.

VITROVAC® 6025 I50X ist eine weichmagnetische metallische Folie mit amorpher atomarer Struktur. Die Herstellung der Legierung erfolgt durch spezielle Rascherstarrungsverfahren, bei denen der ungeordnete Zustand der Schmelze durch Abkühlgeschwindigkeiten von ca. 1 Million Kelvin pro Sekunde eingefroren wird. Abschirmfolien aus VITROVAC® 6025 I50X werden in Standardbreiten bis 50 mm bei herstellbedingter Dicke von ca. 0,02 mm geliefert. Die Folien sind ohne oder mit Klebeschicht erhältlich.

Hauptanwendungen sind flexible geschirmte Kabel mit kleinen Durchmessern, schnelle und flexible Problemlösungen bei kleineren Feldern, magnetische Sensoren sowie magnetische Flussleitung. Wegen der geringen Banddicke und dem verhältnismäßig hohen spezifischen elektrischen Widerstand ist das Frequenzverhalten deutlich besser im Vergleich zu etwa MUMETALL® -Folien.

Schneiden, knicken: VITROVAC® 6025 I50X sind harte, relativ elastische dünne Metallfolien, die z. B. mit einer Schere abgelängt und zugeschnitten werden können. Die Verformung ist elastisch bis zu sehr engen Biegeradien möglich, die Folien knicken erst beim vollständigen Zusammendrücken.

Achtung Splitter: Beim Zerreißen, Knicken oder Schneiden der Folie besteht eine geringe Splitterneigung, durch die scharfen Kanten besteht bei unsachgemäßer Handhabung Verletzungsgefahr. Wir empfehlen das Tragen von Schutzbrillen und Schutzhandschuhen.

Bandbreiten: VITROVAC® 6025 I50X wird in Bandbreiten von 50 oder 55 mm „abgegossen“ und mit Zirkularscheren längsgeteilt. Bandbreiten ab 25 mm können auch direkt gegossen werden, mit dann etwas höheren Breitentoleranzen. Übliche Bandbreiten sind 10, 20, 25, 35, 50 mm. Die Breitentoleranz für geschnittenes Band beträgt ±0,15 mm.

Optional möglich ist die Beschichtung mit doppelseitigem Klebeband mit Schutzabdeckung.

Müssen magnetische Abschirmungen geglüht werden?

Wir empfehlen es dringend. Weichmagnetische Werkstoffe werden (i. d. R.) unter Vakuum erschmolzen und danach abgekühlt. Dieser Abkühlvorgang findet nicht definiert oder kontrolliert statt. Dadurch hat die Legierung zunächst (magnetisch) relativ undefinierte Eigenschaften, die in einem weiten Parameterraum streuen können. Wenn man sehr viel Glück hat können sie für eine Materialcharge in einem annehmbaren Bereich liegen, oft sind sie jedoch deutlich schlechter (aber auch das gilt nur für wenige Legierung, nicht für die magnetisch "hochwertigen" NiFe und CoFe - Werkstoffe). Durch eine Glühung werden deshalb die magnetischen Eigenschaften nicht nur verbessert, sie lassen sich auch für verschiedene Materialchargen reproduzierbarer einstellen. Deshalb empfehlen wir für jedes weichmagnetische Halbzeug eine Glühung, egal ob es sich um eine Platte handelt, die einfach „an die Wand geschraubt“ wird, oder ob es ein Höchst-Präzisions-Drehteil ist, das Elektronikkomponenten in einem Flugzeug schützt. Selbst eine ungeglühte MUMETALL®-Platte kann sich ungeglüht schlechter verhalten als ein „Dosenblech“.

Zusätzlich führt jede Art von mechanischer oder thermischer Bearbeitung (z. B. Drehen, Fräsen, Schweißen usw.) zu einer Schädigung der kristallinen Struktur des Materials. Dies kann einerseits durch mechanische Verspannungen geschehen, wie sie bei einem Umformungsprozess eingebracht werden, aber auch durch eine strukturelle Umwandung durch ein Aufschmelzen durch Schweißen oder Lasern. Diese Schäden müssen ausgeheilt werden, sonst bleiben die magnetischen Eigenschaften weit unter den „Katalogwerten“ der Legierung.

Die Abbildung zeigt die statischen Hysteresekurven von verschiedenen Abschirmlegierungen vor und nach der magnetischen Wärmebehandlung.

Was ist eine magnetische Schlussglühung?

Der Sinn einer magnetischen Schlussglühung ist es, einerseits mechanische Verspannungen und Strukturveränderungen auszuheilen und andererseits eine definierten magnetischen „Grundzustand“ herbei zu führen. Die Glühung findet bei einer legierungsspezifischen Temperatur statt, die zwischen 800°C und 1200°C liegt. Eine funktionale Atomsphäre aus trockenem Wasserstoff ist empfehlenswert, je nach Legierung und Anwendung des Teils kann auch eine Behandlung unter Vakuum oder Schutzgas durchgeführt werden (mit entsprechenden Abstrichen bei den magnetischen Parametern).

Auch magnetische Schlussglühungen gehören zu den Dienstleistungen, die wir anbieten. Für Rückfragen stehen wir gerne zur Verfügung. Glühungen von einzelnen Mustern können auch direkt über unseren Online-Shop bestellt werden (bald wieder).

Messung magnetischer Felder

Eng mit der Thematik der Abschirmung magnetischer Felder hängt auch die Feldmessung zusammen. Einerseits werden Abschirmungen oft dadurch nötig, dass bestimmte Grenzwerte überschritten (oder zumindest gefährdet) werden. Andererseits ist eine Messung auch dann sehr sinnvoll, wenn anhand von Mustern (z. B. gefertigten Prototypen, oder aber improvisierten Folienabschirmungen) verifiziert werden soll, dass eine erwartete Schirmwirkung auch tatsächlich eintritt. Vor allem für wissenschaftliche Experimente ist es zusätzlich relevant, die Einflussgrößen auf magnetfeldsensible Experimente zu kennen und daraus ggf. Rückschlüsse auf die Qualität des Messergebnisses und die Messgenauigkeit ziehen zu können.

Statische Felder werden üblicherweise mit Hallsensoren detektiert. Es gibt auch andere Lösungen, die sich vor allem im Bereich der Rotorlageerkennung (Antriebstechnik) etabliert haben, aber in der Magnetfeldmesstechnik für die „Feldanalyse“ werden allgemein Hallsonden bevorzugt.

Für die Messung magnetischer Felder bei höheren Frequenzen bieten sich verschiedene Lösungen an, die jeweils von der Feldstärke und der zu messenden Frequenz abhängen. Die im vorhergehenden Abschnitt ausführlich behandelten Hallsensoren finden hier vor allem im Bereich <20 kHz Verwendung. Im höheren Frequenzbereich arbeiten sie jedoch nicht mehr zufriedenstellend.

Höherfrequente Felder werden meist mit Luftspulen gemessen, oft in orthogonaler Ausführung (daher die kugelförmigen Messsonden). Wer sich für ein Messgerät mit vielfältigen Auswertemöglichkeiten interessiert kann z. B. einen Blick auf unser MFA-110 werfen.

Für kleine Felder werden Fluxgate-Sensoren eingesetzt, für sehr kleine Felder (z. B. zum Messen von Hirnströmen) sogenannte SQUID-Sensoren. 

Kann MUMETALL® rosten?

Legierungen mit 50 % und 80 % Nickel-Anteil wie MUMETALL® und PERMENORM® 5000 H2 rosten üblicherweise nicht oder nur sehr wenig. Unter trockenen und sauberen Bedingungen sind Oberflächenbeschichtungen deshalb nur selten nötig. Wird das Material Regen ausgesetzt kann es zur Bildung von „Flugrost“ kommen. Hier besteht natürlich die Möglichkeit, dass eine hohe Schadstoffkontamination (beispielsweise durch industrielle Belastung) diesen Effekt verstärkt. Der Einsatz unter Salzwassereinfluss kann die Korrosionsproblematik deutlich verschärfen.

Weicheisen rostet relativ leicht und sollte deshalb gegen Korrosion geschützt werden. Hier bieten sich Prozeduren wie vernickeln oder verzinken an, aber auch Kunststoffbeschichtungen und Lackierungen kommen in Frage. Diese sollten aber natürlich nach Abschluss der mechanischen Arbeiten durchgeführt werden.

Kann man die magnetischen Felder von Permanentmagneten (z. B. NdFeB, AlNiCo oder Ferrit) abschirmen?

Jein. Es ist möglich, die magnetischen Feldlinien von Permanentmagneten umzuleiten und damit eine Abschirmwirkung in der Umgebung herbei zu führen. Das ist jedoch umso problematischer, je näher die Abschirmung am Permanentmagneten sitzt. Sind dies nur wenige Millimeter (oder berühren sich Magnet und Abschirmung sogar) dann kann eine Abschirmung nur mit sehr viel Materialeinsatz (z. B. durch einige mm starkes Weicheisen oder VACOFLUX® 50) erfolgen.

Es ist jedoch physikalisch unmöglich, den Nord- und Südpol eines Magneten vollständig voneinander abzuschirmen. Im Inneren des Magneten laufen die Feldlinien von einem Pol zu anderen und schließen sich über das Streufeld im Äußeren (oder eine Entmagnetisierung im Inneren) wieder. Nichtgeschlossene Magnetfeldlinien sind nach dem Gauß‘schen Gesetz für Magnetfelder nicht möglich. Deshalb wird das Magnetfeld immer einen Rückweg finden, sodass es in sich geschlossen ist! Den Magneten in der Mitte durchzuhacken wird auch nicht helfen: Man erhält dadurch zwei kurze, schwächere Magnete.

Kann ich mit einer Abschirmung und einem Permanentmagneten Energie gewinnen?

Diese Frage wurde uns bereits von vielen Seiten und verpackt in die unterschiedlichsten Theorien vorgetragen. Üblicherweise enthält der meistens auf Webseiten, in Veröffentlichungen oder in YouTube-Videos vorgestellte Aufbau einen oder mehrere Permanentmagnete und eine Form der Abschirmung, die entweder magnetische Feldlinien stoppen soll (was sie nicht kann, siehe oben) oder die sie zeitweise aufnimmt und im Magnetfeld bewegt wird.

Das Problem bei derartigen Aufbauten ist normalerweise, dass ein weichmagnetisches Material im Feld eines Magneten Feldlinien aufnimmt, jedoch bei der Bewegung im Magnetfeld Arbeit verrichtet wird. Denn ein magnetischer Kreis ist immer bestrebt, die in ihm gespeicherte Energie zu minimieren. Das bedeutet, dass auf eine Abschirmung, die nicht symmetrisch in einem Magnetfeld (oder in einem nichtsymmetrischen Magnetfeld) sitzt eine Kraft wirkt. Wird die Abschirmung (oder der Magnet) bewegt wird Arbeit verrichtet, die unpraktischer Weise mindestens so groß ist, wie die bei der Rückbewegung gewonnene Energie.

Unsere langweilige und schulphysikalische Antwort ist also Nein.

Ich brauche eine 10 dB-Abschirmplatte. Wo bekomme ich so etwas?

Abschirmplatten sind normalerweise Platten aus MUMETALL®, PERMENORM® 5000 H2 oder Silizium-Eisen in einer Wandstärke von 0,3 mm bis 3 mm. Eine Abschirmplatte mit einem dB-Wert gibt es jedoch nicht, jedenfalls nicht pauschal. Die Dämpfung eines Feldes hängt extrem von den gewählten geometrischen Bedingungen, den Störamplituden und der Messfrequenz ab! Und da es keine gültige Norm für den niederfrequenten Magnetfeld-Bereich gibt, die für eine objektive Messung herangezogen werden kann, ist eine solche dB-Angabe beliebig willkürlich und weitgehend ohne Aussagegehalt.

Abschirmplatten aus den genannten Legierungen können Sie über die SEKELS GmbH selbstverständlich beziehen, über unseren Webshop (bald wieder) oder unseren Vertrieb. Jedoch möchten wir auf folgende Punkte hinweisen:

Der Schirmfaktor einer magnetischen Abschirmung ist unter anderem anhängig von:

• Geometrie
• Materialstärke
• Legierung
• der eingestrahlten Feldamplitude
• der Frequenz

Davon auszugehen, dass eine „10 dB-Platte“ unabhängig von Geometrie- und Feldverhältnissen eine entsprechende Dämpfung erzielt ist nicht korrekt!

Mechanische Bearbeitungen der Platte verändern die magnetischen Schirmungseigenschaften!

Für eine wirksame Abschirmung wird eine magnetische Schlussglühung nach Abschluss aller mechanischen Arbeiten empfohlen. Abschirmplatten werden oft „weichgeglüht“ angeboten. Das ist eine Glühung des Herstellers zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (z. B. für Tiefziehteile). Die magnetischen Eigenschaften sind besser als im Zustand „hart“, aber noch sehr weit weg von den optimalen Werten nach eben einer magnetischen Schlussglühung.

Abschirmen mit „Baustahl“ – geht das?

Das hängt vom konkreten Abschirmproblem ab. Baustahl ist in erster Näherung ein Eisen mit entsprechender magnetischen Sättigung im Bereich um 2 Tesla. Damit wären die magnetischen Eigenschaften auch schon umfassend beschrieben – denn es gibt keine Norm oder Richtlinie, die „Baustähle“ magnetisch beschreibt. Hier ergibt sich also zwangsläufig das Problem, dass die Stähle in ihren magnetischen Eigenschaften sehr stark streuen können. Und zwar nicht nur von Stahlsorte zu Stahlsorte, sondern auch von Hersteller zu Hersteller und von Charge zu Charge.

Das ist für eine magnetische Einzelabschirmung oft ein kalkulierbares Risiko: Man stellt die Abschirmung her, misst parallel dazu die magnetischen Materialeigenschaften und dann den Schirmfaktor des Musters. Anders sieht es bei Serienfertigungen aus: Hier lässt sich nicht mehr von der korrekten Funktion des Musters auf eine stabile Serie schließen. Insbesondere nicht, wenn die Kontrolle über die Materialbeschaffung und –charakterisierung bei Dritten liegt. Aus diesem Grund empfehlen wir in diesem Fall die Verwendung von Weicheisen, das im Gegensatz zu „Baustahl“ definierte magnetische Eigenschaften besitzt, insbesondere hinsichtlich der Koerzitivfeldstärke, die beispielsweise die Ummagnetisierungsverluste bei niederfrequenten Wechselfeldern beeinflusst und auch das Restfeld innerhalb der Abschirmung, dass nach Verschwinden der magnetischen Feldquelle noch verbleibt.

Ich möchte meine Wohnung magnetisch abschirmen. Geht das?

Natürlich kann man auch Wohnungen mit einer Abschirmung versehen. Dabei steht jedoch die Frage im Mittelpunkt, was mit der Abschirmung bezweckt wird. Magnetische Felder wirksam und um mehrere Größenordnungen abzuschirmen erfordert einen geschlossen abgeschirmten Raum, bei dem selbst Spalte einer Türöffnung ein Problem darstellen, von durchsichtigen Fenstern ganz zu schweigen. Eine an die Wand genagelte Platte jedenfalls wird hier wenig bis gar nichts helfen. (Warum das so ist wird in den Sektionen „Warum sollten magnetische Abschirmungen geschlossen sein“ und „Was sind Streufelder“ erklärt.)

Es ist definitiv technisch möglich, einen Raum so abzuschirmen, dass das Magnetfeld beispielsweise um eine, drei oder sechs Größenordnungen heruntergeht. Die Kosten einer solchen Schirmung sind jedoch nicht zu vernachlässigen und werden (je nach Größe und Aufwand) im 4-5-stelligen Eurobereich (für einfache Abschirmungen) liegen und bei wirklich guten Abschirmungen leicht in den Millionenbereich gehen.

Was sind Halbzeuge?

Halbzeug ist eine Bezeichnung für Materialien, die sich in einem „Zwischenzustand“ befinden. Sie besitzen bereits eine grobe Formgebung, beispielsweise als Stange, als Blech oder Band.

Unsere Halbzeuge sind (fast) ausschließlich weichmagnetische Legierungen, die beispielsweise für Zwecke der magnetischen Flussleitung oder zur Abschirmung von magnetischen Feldern verwendet werden können.

Halbzeuge können einen sehr unterschiedlichen Bearbeitungsstatus aufweisen. So sind Rundstäbe oft mit einer Oberflächenpatina bedeckt und weisen Toleranzen auf, die größer sind als die von Stahlstangen, wie sie üblicherweise von Stahlhändlern bezogen werden. Der Legierungshersteller unterstellt hier dem Käufer generell die Absicht, die Stäbe noch weiter bearbeiten zu wollen.

Bleche und Bänder dagegen besitzen in der Regel eine sehr homogene Dicke und definierte und vorbearbeitete Oberflächen und Kanten. Oft sind Bänder außerdem mit einer Isolationsbeschichtung versehen (sehr häufig bei Silizium-Eisen), damit sie für geblechte Anwendungen (z. B. Statoren und Rotoren in elektrischen Maschinen) verwendet werden können.

Weichmagnetische Halbzeuge wie z. B. MUMETALL®, PERMENORM® 5000 H2 und VACOFLUX® können in unserem Online-Shop (bald wieder) oder über den direkten Kontakt zu unserem Vertrieb bezogen werden.

Was sind Ferromagnete?

Ferromagnete sind metallische Stoffe, die Eisen, Nickel oder Kobalt enthalten (Es gibt noch ein paar andere, allerdings nicht praxisrelevante, ferromagnetische Elemente).  Die magnetischen Momente der Atome Co, Ni oder Fe sind ferromagnetisch gekoppelt, d. h. parallel (über die Austauschwechselwirkung). Diese Legierungen haben eine bestimmte Art von Unterstruktur (Weiß’sche Bezirke), die in der Lage ist, sich in magnetischen Feldern so anzuordnen, dass sie sehr viel mehr Magnetfeld aufnehmen können als Luft des gleichen Volumens. Dadurch ist die Fähigkeit zur Leitung von Magnetfeldern sehr ausgeprägt und für Magnetfelder ist es oft energetisch deutlich günstiger, durch den Ferromagneten zu fließen als durch Luft. Bei vereinfachten Rechnungen kann deshalb oft die magnetische Leitfähigkeit von Luft/Vakuum gegenüber der des Ferromagneten komplett vernachlässigt werden kann (bei Detailbetrachtungen wird es jedoch komplizierter…).

Ich habe meine Feldquelle abgeschaltet. Warum messe ich noch ein magnetisches Feld in meiner Abschirmung?

Natürlich kann es sein, dass noch andere Feldquellen in der Umgebung zu finden sind. In diesem Fall sollte man sich mit Hilfe eines Magnetfeldmessgerätes auf die Suche danach machen. Es kann aber auch sein, dass die Abschirmung selbst noch Feld in den Raum abstrahlt (auch in die Abschirmung hinein!). Der Grund dafür ist die Remanenz des Materials. Jedes weichmagnetische Material verfügt über diese Eigenschaft, die abhängig von Material, aber auch von der Geometrie der Abschirmung ist.

Anschaulich kann man sich die Remanenz folgendermaßen vorstellen: Magnetische Felder in Ferromagneten führen dazu, dass sich Strukturen im Material umordnen. Dadurch kann sehr viel Magnetfeld auf engem Raum transportiert werden. Diese Umordnung ist ein komplexer Vorgang, der aus mehreren Teileffekten besteht, deren Details unter den Fachleuten teilweise heute immer noch umstritten sind. Wird das äußere Magnetfeld abgeschaltet, dann wird ein Teil dieser Umordnungsvorgänge wieder rückgängig gemacht. Andere aber bleiben in dem umgeordneten Zustand, der durch das äußere Feld eingeprägt wurde, weil er energetisch günstig ist. Und diese „remanenten“ Magnetisierungen bedeuten nichts anderes als dass ein Feld im Material „gespeichert“ wird und im Umfeld der Abschirmung messbar ist. Der Effekt ist im Prinzip identisch mit dem Effekt, der auftritt wenn man einen Stahlnagel an einem Magneten reibt und dann (nach Entfernen des Magneten) trotzdem noch andere Nägel oder Büroklammern anheben kann. Auch das ist ein Remanenzeffekt.

Weichmagnetische Legierungen sind darauf „gezüchtet“, eine möglichst geringe Remanenz zu haben. Allerdings ist es unüblich, die Remanenz eines Werkstoffes anzugeben, weil eben auch die Geometrie eine Rolle spielt. Die Remanenz hängt aber so eng mit dem Wert der Koerzitivfeldstärke zusammen, dass anhand der Koerzitivfeldstärke auf das grundlegende Remanenzverhalten der Legierung geschlossen werden kann. Eine Legierung mit besonders niedriger Koerzitivfeldstärken ist (bei Abschirmungen) beispielsweise MUMETALL®. Auch bei induktiven Bauelementen spielt diese Eigenschaft eine wichtige Rolle. Dort zeichnen sich vor allem dünne amorphe und nanokristalline Legierungen wie VITROVAC® und VITROPERM® mit einer geringen Koerzitivfeldstärke aus.

Sollte ich magnetische Abschirmungen entmagnetisieren?

Eine Entmagnetisierung einer magnetischen Abschirmung kann sinnvoll sein, um Effekte durch hohe Remanenz und abgefallene Permeabilität zu vermeiden. Beide Eigenschaften sind aber durch die Materialien selbst und durch die Geometrie begrenzt. Es ist also nicht möglich, eine Abschirmung mehrfach zu entmagnetisieren, um die magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Es gibt einen „Bestzustand“, der sich im Idealfall nach der magnetischen Schlussglühung am Ende der Fertigungsprozedur einstellt, und den man wieder herstellen kann.

Grundlegend gibt es zwei Möglichkeiten für die Entmagnetisierung:

Entmagnetisieren durch Felder erlaubt es, ein im Material eingeprägtes Feld wieder „auszuradieren“. Dazu wird ein Wechselfeld benötigt, das das Objekt mit immer kleiner werdender Amplitude aussteuert. Geschieht dieser Vorgang allmählich genug, werden die ursprünglich durch Remanenzeffekte im Material befindlichen Restfelder „heruntergefahren“. Bei magnetischen Messgeräten ist oft eine „Entmagnetisierungsfunktion“ enthalten, die nach diesem Prinzip arbeitet.

Die Entmagnetsierung durch Felder hat jedoch Grenzen: Es ist damit nämlich nicht möglich, Beschädigungen im Material rückgängig zu machen. Hat man (beispielsweise durch einen mechanischen Schaden) eine reduzierte Permeabilität oder eine höhere Remanenz in einer Abschirmung, dann kann man zwar die Restfelder durch einen Entmagnetisierungsvorgang kurzzeitig loswerden – jedes äußere Feld (sei es von einem elektrischen Gerät, einem Kabel oder der Erde selbst) kann die Abschirmung aber wieder aufmagnetisieren. Diese Restfelder zu vermeiden ist schlichtweg nicht möglich. Deshalb ist in diesem Fall nur die zweite Möglichkeit für eine Entmagnetisierung sinnvoll:

Die Magnetische Glühung ist Bestandteil der Fertigungsprozedur für weichmagnetische Legierungen (z. B. für Abschirmungen), weil dadurch definierte magnetische Bedingungen im Material eingestellt werden. Im Gegensatz zur Entmagnetisierung über Felder wird hier eine thermische Umordnung des Materials durchgeführt, die die innere Struktur tatsächlich und dauerhaft verändert. Deshalb kann auch eine magnetische Schlussglühung im Fertigungsprozess nicht durch eine Entmagnetisierung ersetzt werden!

Durch die Glühung können auch Defekte (Überhitzung des Materials durch Laserschneiden, magnetische Beschädigungen durch ungeschickte Kollegen, die Abschirmungen hinfallen lassen) ausgeheilt werden. Es ist jedoch nicht möglich, die Koerzitivfeldstärke unter den materialspezifischen Wert zu bringen – egal wie oft, wie lange und wie hoch man glüht.

Sind magnetische Abschirmungen Ferromagnete?

Ja, und zwar sehr gute. Weichmagnetische Legierungen nehmen magnetische Felder in sich auf und führen sie um den zu schirmenden Bereich herum. Nicht-ferromagnetische  (und nicht-ferrimagnetische) Stoffe beeinflussen Magnetfelder fast überhaupt nicht. Jedenfalls in einem so geringen Maße, dass damit makroskopische Magnetfelder weder geleitet noch abgestoßen werden können. Es ist deshalb auch nicht möglich, eine Abschirmung zu finden, die von einem Magneten nicht angezogen wird!

(Der Effekt der Supraleitung ist von den hier genannten Tatsachen ausdrücklich ausgenommen.)

Was sind weichmagnetische Legierungen?

Weichmagnetische Legierungen sind Ferromagnete, die einerseits dazu neigen, magnetische Felder in sich aufzunehmen. Hauptsächlich bedeutet „weichmagnetisch“ jedoch, dass eine solche Legierung, wenn sie einmal einem Magnetfeld ausgesetzt worden ist und dadurch aufmagnetisiert wurde, diese Magnetisierung nahezu vollständig wieder verliert. Dies ist ein direkter Gegensatz zu den hartmagnetischen Werkstoffen, wie sie für Permanentmagnete verwendet werden.

Vielleicht etwas anschaulicher erläutert: Ein „Feld-Wald-und-Wiesen“-Stahl, wie er beispielsweise für einen Nagel verwendet wird, kann in einem Magnetfeld so aufmagnetisiert werden, dass er selbst nach dem Abschalten des Feldes noch genug „eingespeichertes“ Magnetfeld besitzt, um einen anderen Nagel anzuheben. Ein weichmagnetischer Werkstoff, wie beispielsweise MUMETALL® verliert seine Magnetisierung wieder und kann den anderen Nagel nicht anheben.

Ich habe gehört, dass es nach der Großen Vereinheitlichten Theorie (GUT) doch magnetische Monopole gibt (oder zumin-dest geben kann). Stimmt das? Und was hat es für Auswirkun-gen auf meine Abschirmung?

Es gibt Formulierungsansätze der GUT, die magnetische Monopole berücksichtigen. Jedoch als Quasiteilchen, die nur „virtuell“ existieren. Ob das stimmt oder nicht – wir haben offen gestanden keine Ahnung. Es wird sich aber auf die Funktionsweise und Wirksamkeit makroskopischer magnetischer Abschirmungen in der „realen Welt“ nicht auswirken. Insbesondere werden sich dadurch keine Möglichkeiten ergeben, makroskopische Permanentmagnete in einen Nord- und Südpol zu teilen.

Für die Interpretation und Bedeutung von Quasiteilchen möchten wir auf die entsprechende physikalische Fachliteratur verweisen.

Über die Autoren und über diesen Informationstext

Die Autoren sind Mitarbeiter (und ehemalige Mitarbeiter, die sich für eine akademische Laufbahn entschieden haben) der Sekels GmbH die sich „im Tagesgeschäft“ mit magnetischen Abschirmungen, Magnetsystemen und weichmagnetischen Halbzeugen beschäftigen und sich telefonischen oder schriftlichen Fragen aus diesem Umfeld stellen müssen.  Diese Zusammenstellung von typischen Fragen (und typischen Antworten) soll dazu dienen, einen anschaulichen Überblick über das komplexe Thema magnetische Abschirmungen zu vermitteln und enthält hauptsächlich Informationen, die nicht gut in Produktbroschüren und auf Datenblättern untergebracht werden können. Die Seite erhebt dabei weder den Anspruch einer wissenschaftlichen Veröffentlichung noch einer unabhängigen Darstellung, sondern dient dazu, dem interessierten Leser einen Einstieg in das Thema zu erleichtern und auf einige aus der Autorensicht relevante Themen hinzuweisen.

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