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Dokumentenidentifikation DE4102102A1 06.08.1992
Titel Magnetanordnung mit Dauermagneten
Anmelder Leybold AG, 6450 Hanau, DE
Erfinder Gebele, Thomas, 6463 Freigericht, DE
Vertreter Schickedanz, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 6050 Offenbach
DE-Anmeldedatum 25.01.1991
DE-Aktenzeichen 4102102
Offenlegungstag 06.08.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.08.1992
IPC-Hauptklasse H01F 7/02
IPC-Nebenklasse H01J 37/34   H01F 3/12   H01J 23/10   C23C 14/35   C23F 4/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung mit Dauermagneten (5, 6) um ein diese Dauermagnete (5, 6) verbindendes Joch (2, 3, 4). Die magnetische Feldstärke dieser Magnetanordnung wird dadurch verändert, daß im Bereich des Jochs (2, 3, 4) wenigstens ein drehbarer Körper (8) vorgesehen ist, der wenigstens zwei räumlich voneinander getrennte Werkstoffe (9, 10) mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften enthält.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung mit Dauermagneten und einem diese Dauermagneten verbindenden Joch.

In der Sputtertechnik werden oft Magnete eingesetzt, die ein magnetisches Feld erzeugen, welches die Bahn elektrisch geladener Teilchen beeinflußt. Hierbei werden die elektrisch geladenen Teilchen in der Regel durch ein elektrisches Feld beschleunigt, so daß das magnetische Feld einen den Einfluß des elektrischen Feldes überlagernden Effekt hat. Derartige Anordnungen werden Magnetrons genannt. Wirkt das elektrische Feld zwischen einem Heizfaden als Kathode und einer hierzu koaxialen, zylindrischen Anode, so wird ein solches Magnetron auch Laufzeitröhre genannt und als Schwingungserzeuger bzw. Verstärker in der Mikrowellentechnik eingesetzt. In der Sputter- oder Zerstäubungstechnik liegen Anode und Kathode dagegen in Form einer Diode gegenüber, so daß durch das überlagerte Magnetfeld eine Elektronen-Zyklotronen-Resonanz erzeugt wird. In die Kathode eingebaut oder mit dieser vereinigt sind Dauermagnete, die über ein Joch miteinander verbunden sind. Unter einem Joch versteht man ein Verbindungsstück aus Eisen oder ähnlichem Material, das den magnetischen Widerstand zwischen zwei Dauermagneten herabsetzt.

Bei den bekannten Sputterkathoden werden im allgemeinen invariable Magnetrons verwendet, in denen die Dauermagnete allenfalls vor dem Einbau justiert werden können.

Es sind indessen auch schon Anordnungen vorgeschlagen worden, bei denen das Feld eines Dauermagneten mit dem Feld einer stromdurchflossenen Spule überlagert und somit verändert wird. Wegen der Probleme, die sich mit der Plazierung und Stromzuführung bei Spulen in Magnetrons ergeben, sind derartige Anordnungen nicht sehr verbreitet.

Eine weitere Methode, das Magnetfeld eines Dauermagneten noch nachträglich zu ändern, besteht darin, den Dauermagneten mechanisch auf einen bestimmten Bereich hin oder von diesem wegzubewegen. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine echte Änderung des Magnetfelds, sondern um eine Feldstärkenänderung durch Abstandsvergrößerung oder -verkleinerung in einem bestimmten Einflußbereich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Magnetfeld nachträglich und auf einfache Weise um 10% bis 20% ändern zu können.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß das Magnetfeld eines Magnetrons auch noch während des Betriebs z. B. einer Sputterkathode auf einfache Weise verändert werden kann. Außerdem ist es mit der Erfindung möglich, die Grundeinstellung des Magnetfeldes zu verbessern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines U-förmigen Magneten mit einem Joch, zwei Dauermagneten und einem Regelstab;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Magneten mit Joch und zwei Regelstäben mit unterschiedlichen Durchmessern;

Fig. 3 eine halbseitige Darstellung eines Magneten mit einer Magnetflußrückführung und drei Stellen für die Einfügung von Regelstäben;

Fig. 4a einen Magneten gemäß Fig. 3, bei dem ein Regelstab an der Übergangsstelle zwischen Joch-Schenkel und Magnetflußrückführung angeordnet ist und eine erste Stellung einnimmt;

Fig. 4b den Magneten gemäß Fig. 4a, wobei der Regelstab eine zweite Stellung einnimmt;

Fig. 4c den Magneten gemäß Fig. 4a, wobei der Regelstab eine dritte Stellung einnimmt;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer rotationssymmetrischen Magnetanordnung mit Regelringen am Boden;

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Boden der rotationssymmetrischen Magnetanordnung gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer zweiten rotationssymmetrischen Magnetanordnung mit Regelringen an der Gehäusewand;

Fig. 8 eine Schnittdarstellung durch eine dritte rotationssymmetrische Magnetanordnung mit Regelringen am Boden und an der Gehäusewand;

Fig. 9a das Vektorpotential eines unbeeinflußten Magneten;

Fig. 9b das Vektorpotential eines Magneten, dessen Joch weitgehend mit einer Ausnehmung versehen ist;

Fig. 9c das Vektorpotential eines Magneten, dessen Joch an einer Stelle vollständig durch eine Ausnehmung unterbrochen ist;

Fig. 10a die x-Komponente der Magnetfeldstärke eines Magneten bei teilweise, vollständig oder gar nicht unterbrochenem Joch;

Fig. 10b die y-Komponente der Magnetfeldstärke eines Magneten bei teilweise, vollständig oder gar nicht unterbrochenem Joch;

Fig. 10c die y-Komponente der Magnetfeldstärke eines Magneten bei teilweise, vollständig oder gar nicht unterbrochenem Joch;

Fig. 11 eine erfindungsgemäße regelbare Magnetanordnung als Teil eines Magnetrons.

In der Fig. 1 ist ein U-förmiges Joch 1 aus Eisen oder dergleichen mit einer Grundfläche 2 und zwei seitlichen Schenkeln 3, 4 dargestellt. Auf der Oberkante der beiden Schenkel 3, 4 befindet sich jeweils ein stabförmiger Dauermagnet 5, 6 mit rechteckigem Querschnitt. Die Polarität der beiden Dauermagnete 5, 6 ist gegensätzlich, so daß die magnetischen Feldlinien 7 zwischen den Dauermagneten eine Bogenform besitzen. Gemäß der Erfindung ist in den Schenkel 4 des Jochs 1 ein kreisrunder Stab 8 eingelassen, der in seiner Längsrichtung aus zwei verschiedenen Materialien 9, 10 besteht. Der Stab ist in dem Schenkel 4 des Jochs 1 in Richtung des Pfeils 11 drehbar, da er lediglich durch magnetische Kräfte in einer Aussparung des Schenkels 4 gehalten wird, deren Querschnittsfläche etwa der Hälfte der Querschnittsfläche des Stabs 8 entspricht. Durch Drehen des Stabs kann die Amplitude und Form der magnetischen Feldlinien verändert werden, wobei die Änderung von der Art des Materials des Stabs 8 abhängt, der gerade in die Aussparung des Schenkels eingreift.

In der Fig. 2 ist das Joch 1 mit den Dauermagneten 5, 6 noch einmal im Querschnitt dargestellt, wobei allerdings auch der Schenkel 3 des Jochs 1 mit einem Stab 12 versehen ist. Die Drehachse des Stabes 12, der einen größeren Umfang als der Stab 8 hat, liegt außerhalb des Jochs 3. Der Stab 12 ist in diesem Fall asymmetrisch zur Längsachse geteilt. Er besteht ebenfalls aus zwei Hälften 13, 14, wobei die eine Hälfte 14 z. B. ferromagnetisch ist, während die andere Hälfte 13 nichtmagnetisch ist. Durch die asymmetrische Teilung kann der ferromagnetische Teil vollständig aus dem Joch bewegt werden, ohne dieses an den Kanten zu berühren wie bei Stab 8. Werden die Stäbe 8, 12 einzeln oder zusammen in Richtung der Pfeile 11, 15 gedreht, so kann das Magnetfeld 7 bezüglich Amplitude und Form in weitem Umfang geändert werden.

Die Stärke des Querschnitts D des Jochs 2 und der Schenkel 3,4 sollte so bemessen werden, daß der magnetische Fluß, der von den Dauermagneten 5, 6 kommt, geführt werden kann, ohne daß das Material des Jochs 1 in die Sättigung gelangt. Unterschreitet die Stärke D einen bestimmten Wert, so daß das Joch 1 in der Sättigung betrieben wird, kann nur noch ein wesentlich geringerer Teil des Flusses geführt werden, was zur Folge hat, daß der Kurzschlußfluß der Dauermagnete 5, 6 zunimmt und die Feldstärke zwischen den beiden Dauermagneten abnimmt. Durch die verschiedenen Materialien der Stäbe 8, 12 läßt sich die magnetisch wirksame Dicke des Jochs 1 leicht variieren. Das Drehen der Stäbe 8, 12 kann manuell oder maschinell erfolgen. Beim maschinellen Drehen werden die Stäbe 8, 12 beispielsweise mit der Drehwelle eines Elektromotors gekoppelt, der vom Magneten entfernt angeordnet ist.

Ein besonderer Vorteil der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung besteht darin, daß die Lage der Magnete 5, 6 und der Joche 2, 3, 4 bei einer Feldänderung nicht verändert wird.

In der Fig. 3 ist die linke Hälfte einer Magnetanordnung mit einem Joch 1 und einem Dauermagneten 5 dargestellt. Von den beiden Schenkeln 3,4 ist nur der Schenkel 3 links von der Symmetrielinie 16 zu erkennen. Zwischen dem Dauermagneten 5 und dem Schenkel 3 ist ein magnetischer Rückführungszweig 17 angeordnet, der einen Teil des vom Dauermagneten 5 ausgehenden Flusses zum Schenkel 3 rückführt. Der vom Dauermagneten 5 erzeugte Gesamtfluß ΦC verzweigt sich an der Rückführungsstelle 18 in die Teilflüsse ΦD und ΦA, wobei der Teilfluß ΦA den Fluß der Feldlinien darstellt, die in den gegenüberliegenden und in Fig. 3 nicht dargestellten Dauermagneten eintreten. Dieser Fluß ΦA wird durch den rechten Schenkel (Fig. 2) zurückgelenkt. Aufgrund von Verlusten des freien Magnetfeldes 7 (Fig. 2) ist ΦA geschwächt und erscheint im Joch 2 als Fluß ΦB.

An der zweiten Rückführungsstelle 19 wird der abgezweigte Fluß ΦD mit dem Fluß ΔB zusammengeführt, so daß ΦDB = ΦC gilt. Durch Einfügung von Regelstäben 20, 21, 22 an verschiedenen Stellen des Jochs können ΦB, ΦD und ΦC beeinflußt werden. So ist es beispielsweise möglich, mit dem Regelstab 22 die Wirksamkeit der aufgesetzten Flußführungen und damit z. B. die geometrische Höhe des Magnetfelds zu beeinflussen.

In den Fig. 4a bis Fig. 4c ist ein Magnet dargestellt, der nach dem in der Fig. 3 dargestellten Prinzip arbeitet und bei dem ein Regelstab 23 an der Rückführungsstelle 19 angeordnet ist. Der Regelstab 23 besteht im Querschnitt aus einem kleineren nicht-magnetischen Teil 24 und einem großen magnetischen Teil 25. Nimmt der Regelstab 23 die in der Fig. 4a gezeigte Position ein, so wird der Rückführungsfluß ΦD reduziert, d. h. die Rückführung ist geschwächt.

In der Position gemäß Fig. 4b erreicht die Rückführung ihr Maximum. Weder im Schenkel 3 noch im Zweig 17 befindet sich eine magnetische Schwächung oder Abriegelung.

Die Fig. 4c zeigt eine Stellung des Regelstabs 23, bei welcher zwar die Rückführung ungeschwächt erfolgt, der Hauptzweig des Schenkels 3 dagegen geschwächt wird, weil das magnetisch nicht-leitende Material 24 in diesen Zweig eingeschoben ist und somit ΦA weiter reduziert wird. Mit Hilfe des Regelstabs 23 ist es somit möglich, die Rückführung des Flusses ΦD mehr oder weniger zu beeinflussen und somit ΦA und damit das Magnetfeld zu variieren.

In der Fig. 5 ist ein rotationssymmetrischer Magnet 30 dargestellt, der ein Joch 31 in Form eines kreiszylindrischen Rohrs mit einem Boden 32 aufweist und einen ringförmigen Dauermagneten 33 an seinem oberen Rand trägt. Von der Mitte des Bodens 32 erstreckt sich ein säulenförmiges Jochteil 34, das in der Höhe des ringförmigen Dauermagneten 33 eine Dauermagnetscheibe 35 trägt. Die beiden Dauermagnete 33, 35 sind polaritätsmäßig so angeordnet, daß sich kreisbogenförmige Magnetfeldlinien 36 ergeben. Im Boden 32 sind zwei Ringe 37, 38 angeordnet, die relativ zueinander verschoben werden können und abwechselnd magnetisch nichtleitende und magnetisch leitende Segmente besitzen. Durch Verschieben dieser Ringe 37, 38 kann der über das Gesamtjoch 31, 32, 34 fließende Fluß gesteuert werden.

In der Fig. 6 ist die Bodenplatte 32 noch einmal in einer Ansicht von unten dargestellt, wobei die einzelnen Segmente 39 bis 44 deutlich zu erkennen sind. Bei der in der Fig. 6 dargestellten Konstellation wird der Magnetfluß zwischen den beiden Dauermagneten 35, 33 minimal, weil einer magnetisch leitenden Zone 39, 43 eines Rings 37, 38 jeweils eine magnetisch nichtleitende Zone 42, 40 des anderen Rings gegenüberliegt. Durch relatives Verdrehen der Ringe 37, 38 ist eine nahezu stufenlose Veränderung des magnetischen Widerstandes zwischen den Dauermagneten 33, 35 möglich, so daß das Feld 36 innerhalb gewisser Grenzen nahezu beliebig veränderbar ist.

In der Fig. 7 ist ein Magnet 45 dargestellt, der auf seinem zylindrischen Umfang verdrehbare Ringe 46, 47 mit magnetisch unterschiedlich leitenden Bezirken 48, 49; 50, 51; 52, 53 etc. aufweist. Der Magnetfluß wird hierbei also nicht am Boden 32 beeinflußt, sondern am Zylindermantel 31.

In der Fig. 8 ist eine Vorrichtung im Querschnitt gezeigt, die einer Kombination der Vorrichtungen gemäß Fig. 5 und 7 entspricht. Es sind also sowohl drehbare Ringe 46, 47 am zylindrischen Umfang vorgesehen als auch Ringe 37, 38 am Boden. Für eine Regelung ist es ausreichend, daß jeweils nur einer der Ringe 46, 47 bzw. 38, 37 drehbar ist, während der jeweils andere unbeweglich angeordnet ist. Durch die äußeren Steuerringe 46, 47 wird das Magnetfeld 36 am Rand zum Dauermagneten 33 hin stärker geändert, während die inneren Steuerringe 37, 38 in der Nähe des Zentrums der Bodenplatte 32 das Magnetfeld 36 um den Mittelmagneten 35 stärker beeinflussen.

Ferner ist es möglich, das Verhältnis der einzelnen Bezirke 39, 40 oder 39, 42 etc. beliebig zu variieren.

Die Fig. 9a bis 9c zeigen die mit einem zweidimensionalen Finite-Element-Programm errechneten Auswirkungen der Feldbeeinflussung durch eine Steuerung des Magnetflusses im Joch. Für die Rechnung wurde eine Magnetronanordnung mit 10 mm·10 mm-Permanentmagneten mit einer Remanenz-Induktion von Br = 0,88 T und einer Koerzitiv-Feldstärke BHc = 67 KA/cm gewählt, wie sie in vergleichbarer Form in Langkathoden von Sputteranlagen verwendet werden. Es wurden drei Fälle berechnet: Joch unbeeinflußt, Joch stark beeinflußt, Joch vollständig unterbrochen. Zur Vereinfachung der Rechnung wurde ein 10 mm×9 mm bzw. 10 mm×10 mm großer Ausschnitt im Joch verschoben. Die Abszissen und Ordinaten der Fig. 9a bis 9c geben die Abmessungen in mm an. Diese Angaben bewegen sich zwischen 60 mm und 150 mm.

In der Fig. 9a ist schematisch ein Magnet 60 mit dem Joch 61 und den Dauermagneten 62, 63 dargestellt, wobei das Vektorpotential bei einem nicht durch Regelstäbe oder Regelringe beeinflußten Feld dargestellt ist. Vektorpotential und Feldstärke hängen über die Gleichung = rot zusammen. ist somit eine vektorielle Feldgröße, mit der sich die vektorielle Feldgröße eines quellenfreien Wirbelfeldes darstellen läßt. Zu kann der Gradient einer beliebigen skalaren Feldfunktion hinzugefügt werden, ohne daß dadurch verändert wird. Im engeren Sinne ist das Vektorpotential hier eine durch die Rotation einer Magnetisierung bestimmte vektorielle Feldfunktion, deren Rotation die magnetische Induktion liefert.

Nimmt man, wie es die Fig. 9b zeigt, einen Ausschnitt 64 mit einem 1 mm dicken Restjoch 65, so verschiebt sich das Vektorpotential insgesamt und im Bereich des rechten Dauermagneten sehr deutlich.

Bei einem Ausschnitt 64, der die ganze Jochstärke betrifft, wie es die Fig. 9c zeigt, wird die Feldverschiebung noch deutlicher.

In der Fig. 10a ist die Abhängigkeit der x-Komponenten der Magnetfeldstarke in Abhängigkeit von der x-Geometrie des Magneten 60 gemäß den Fig. 9a bis 9c dargestellt. Die Kurve 70 illustriert den Fall, daß das Joch nicht beeinflußt ist (vgl. Fig. 9a), während die Kurve 71 den Fall zeigt, daß das Joch teilweise beeinflußt ist. Die Kurve 72 stellt schließlich die Bx-Komponente für den Fall dar, daß das Joch vollständig unterbrochen ist. Entsprechende Kurven für die y-Komponente des Magnetfelds sind in der Fig. 10b dargestellt und dort mit 70&min;, 71&min; und 72&min; bezeichnet, um den Bezug zu Fig. 10a herzustellen.

Die Kurven 70&min;&min;, 71&min;&min;, 72&min;&min; in Fig. 10c zeigen ebenfalls die By-Komponente in einem vergrößerten Querschnitt. Eine Verschiebung des Nulldurchgangs der By-Komponente ist deutlich erkennbar.

In der Fig. 11 sind zwei regelbare Magnetvorrichtungen 100, 101 als Teil eines Magnetrons dargestellt. Diese Dauermagneten 100, 101 weisen jeweils zwei Regelstäbe 102, 103 bzw. 104, 105, zwei Dauermagnete 107, 108 bzw. 109, 110 und ein Joch 111 bzw. 112 auf. Beide Magnetvorrichtungen 100, 101 befinden sich in einer topfförmigen Kathode 106, die an einer Spannungs-Stromversorgung 117 liegt. Mit 113 ist ein Target symbolisch angedeutet, das gesputtert wird. Oberhalb dieses Targets 113 befindet sich ein nicht dargestelltes Plasma. In unmittelbarer Nähe dieses Substrats 114 ist eine Anode 115 angeordnet, die beispielsweise an Masse 116 liegt.

Durch Drehen der Regelstäbe 102 bis 105 kann der Sputtervorgang innerhalb bestimmter Grenzen beeinflußt werden. Je nachdem, wie sich die magnetische Feldstärke im Bereich des Targets ändert, wird der Sputterprozeß beeinflußt, so z. B. die Targeterosion, das Zündverhalten, die Plasmaverteilung und das Schichtdickenwachstum.


Anspruch[de]
  1. 1. Magnetanordnung mit Dauermagneten und einem diese Dauermagnete verbindenden Joch, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Jochs (2, 3, 4) wenigstens ein drehbarer Körper (8, 12; 37, 38) vorgesehen ist, der wenigstens zwei räumlich voneinander getrennte Werkstoffe mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften enthält.
  2. 2. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper ein Stab (8, 12) ist, der sich über die Tiefe des Jochs (2, 3, 4) erstreckt und der mit einem Teil in dem Joch gelagert ist und sich mit einem anderen Teil außerhalb des Jochs (2, 3, 4) befindet.
  3. 3. Magnetanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisch leitender Rückführungszweig (17) vorgesehen ist, der den einen Pol eines Dauermagneten (5) mit dem anderen Pol dieses Dauermagneten (5) verbindet.
  4. 4. Magnetanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper (23) im Übergangsbereich (19) zwischen dem Joch (3) und dem magnetisch leitenden Rückführungszweig (17) derart angeordnet ist, daß die magnetische Leitfähigkeit des Rückführungszweigs (17) und/oder des Jochs (3) in Abhängigkeit vom Drehwinkel des drehbaren Körpers (23) veränderbar ist.
  5. 5. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper einen Ring (37, 38) auf dem Boden einer rotationssymmetrischen Magnetanordnung (30) ist, der abwechselnd Bereiche aus mehr oder aus weniger leitendem magnetischen Material aufweist.
  6. 6. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper ein Ring (46, 47) auf dem Umfang einer rotationssymmetrischen Magnetanordnung (45) ist, der abwechselnd Bereiche aus mehr und aus weniger leitendem magnetischen Material aufweist.
  7. 7. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie für Sputterquellen nach dem Magnetron-Prinzip für Ätz- und Beschichtungsprozesse verwendet wird.
  8. 8. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pollage der Dauermagnete (5, 6) relativ zum Joch (2, 3, 4) so gewählt ist, daß sich zwischen den Polflächen ein Tunnel aus magnetischen Feldlinien ausbildet.
  9. 9. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Jochs (2, 3, 4) zwei drehbare Körper (8, 12) vorgesehen sind, von denen der eine Körper (12) einen größeren Durchmesser hat als der andere Körper (8).
  10. 10. Magnetanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Körpers (12) mit dem größeren Durchmesser außerhalb des Jochs (3) liegt.
  11. 11. Magnetanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei regelbare Magnetanordnungen (100, 101) in einer topfförmigen Kathode (106) vorgesehen sind, vor der sich ein zu sputterndes Target (113) befindet, welches seinerseits gegenüber einem Substrat (114) angeordnet ist.
  12. 12. Magnetanordnung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung für Sputteranlagen nach dem Magnetron-Prinzip für Ätz- und Beschichtungsprozesse verwendet wird, wobei die Pollage der Permanentmagnete (5, 6) relativ zum Magnetjoch (2, 3, 4) so gewählt ist, daß sich ein magnetischer Tunnel aus magnetischen Feldlinien (7) ergibt.






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