EXP:Magnetischer Barkhausen Effekt
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Der Barkhausen-Effekt ist eine elegante Möglichkeit ein verhältnismäßig komplexes, magnetisches Festkörperphänomen für die Schülerinnen und Schüler (SuS) im Unterricht erfahrbar zu machen. Unter diesem Effek versteht man die sich in Sprüngen ändernde Ausrichtung der Weißschen Bezirke in einem angelegten, stetig anwachsenden äußeren Magnetfeld. Die so entstehende sprunghafte Änderung der lokalen Magnetisierung kann mittels Induktion detektiert und über einen Lautsprecher hörbar gemacht werden. Dieses deutlich erkennbare Rauschen ermöglicht es den SuS einen intuitiven Zugang zu den Vorgängen in der Materie zu finden. Der Effekt veranschaulicht außerdem, dass bei nicht magnetisierbaren Materialien (Diamagneten und Paramagneten) der Nachweis einer Veränderung der inneren Struktur versagt, woraus abgeleitet werden kann, dass in Diamagneten und Paramagneten beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes keine Änderung der inneren Struktur zustande kommt.
Didaktischer Rahmen
Fachdidaktische Zielsetzung
Mit diesem Experiment soll in erster Linie das physikalische Konzept der Elementarmagnete und der Effekt der Magnetisierung verdeutlicht und vertieft werden. Das Beobachten des Experiments steht hier im Mittelpunkt.
Nötige Vorkenntnisse
Die SuS kennen die Pole eines Magneten und können die Anziehung und Abstoßung beschreiben. Das Zusammenwirken mehrerer Magnete ist bekannt. Die SuS kennen ferromagnetische Materialien und können ihre Eigenschaften beschreiben. Sie kennen den Begriff des Magnetfeldes und können zu einfachen magnetischen Anordnungen die Magnetfeldlinien einzeichnen. Das Modell der Elementarmagnete wurde bereits eingeführt und sie können die Magnetisierung eines Eisennagels damit erklären.
Mögliche Schülerschwierigkeiten
Das Umklappen der Weißschen Bezirke wird mithilfe von Spulen in eine Induktionsspannung umgewandelt, verstärkt und mithilfe von Lautsprechern ausgegeben. Dieser Vorgang ist den SuS in den Klassen 7/8 unbekannt und sollte deshalb für die SuS möglichst nicht sichtbar sein. Die Erfassung kann als Blackbox behandelt werden.
Schülervorstellungen, die hier relevant werden
Eine Schülervorstellung, die hier relevant werden könnte ist die, dass die SuS den Magnetismus als etwas Elektrisches
betrachten[1]. Das Vorwissen dazu bringen die SuS aus dem Fach BNT aus den Klassen 5/6 mit. Es bietet sich daher an die komplette elektrische Schaltung zur Aufnahme des Geräuschs abzudecken und als Messmechanismus
zu bezeichnen. So kann man eine Vermischung von Elektrizität und Magnetismus vermeiden.
Eine weitere Schülervorstellung, die hier aufgegriffen werden kann, ist die, dass alle Metalle gleichzeitig auch Magnete sind[2]. Dabei kann statt des Eisendrahtes auch Kupferdraht oder Aluminiumdraht verwendet werden. Diese verhalten sich in diesem Experiment anders und es ist kein Geräusch zu hören. Dieser Fehlvorstellung kann hier also gut entgegen gewirkt werden.
| Klassenstufe | Klasse 7/8 |
|---|---|
| Kategorie | Elektromagnetismus |
| Einordnung in den Bildungsplan von BW | Magnetismus und Elektromagnetismus, Punkt 3.2.4 (1) |
| Quantitativ/Qualitativ | Qualitativ |
|---|---|
| Demo-/Schülerexperiment | Demonstrationsexperiment |
| Unterrichtsphase | Vertiefung |
| Einzelversuch/Versuchsreihe | Einzelversuch |
Versuchsanleitung
Das Experiment wurde nach der Anleitung von Meyn 2017[3] aufgebaut. Es finden sich auch andere Beschreibungen (vgl. bspw. Krug u. a. 2002, S. 154, Experiment 78[4]), allerdings setzen diese ein käuflich erwerbbares Gerät (Niederfrequenzverstärker teils mit integriertem Lautsprecher) voraus. In den folgenden Abschnitten werden alle notwendigen Elemente des Experiments erörtert.
Benötigtes Material
- 2 Spulen (20 mm x 20 mm Öffnung, je 1200 Windungen, 12 Ω, 35 mH)
- Zwei Möglichkeiten
- Gleichspannungsquelle mit symmetrischer Spannungsversorgung (± 15 V)
- Gleichspannungsquelle (30 V) und selbstgebauter Schaltung zur symmetrischen Spannungsversorgung
- Selbstgebaute Schaltung zur Vorverstärkung von Wechselspannungssignalen
- Aktive Lautsprecher (integrierter Audioverstärker)
- Verschiedene Bananenkabel (4 mm)
- 2 Adapterstecker von 2 mm auf 4 mm Bananenkabel
- 2 Krokodilklemmen (2 mm)
- Typischer Schulmagnet (ca. 4 mT)
- Verschiedene Metalldrähte (Eisen, Nickel, Aluminium, Kupfer)
Versuchsaufbau
- Schritt 1
- Wird eine einfache Gleichspannungquelle verwendet, so muss diese zunächst mit der selbstgebauten Schaltung zur symmetrischen Spannungversorgung verbunden werden.
- Schritt 2
- Die Schaltung zur Vorverstärkung der Wechselspannung muss in einem zweiten Schritt dann an die symmetrische Spannungsversorgung angeschlossen werden.
- Schritt 3
- Nun können die beiden Spulen miteinander verbunden werden. Dazu die beiden Spulen in Reihe hintereinander positionieren und in der Mitte verbinden. Dann die beiden Enden der Spulen ebenfalls miteinander verbinden. Die beiden Spulen sollten so in entgegengesetzter Richtung gewickelt in Reihe geschaltet sein. Dadurch löschen sich von außen eingefangene magnetische Signale aus, da in beiden Spulen ein gleichgroßes Induktionssignal in gegenläufiger Richtung erzeugt wird (Hum-Bucking).
- Schritt 4
- Die verbundenen Ende der beiden Spulen liegen auf Erdpotential und in der Mitte der beiden Spulen liegt das Signal an. Beide Kontakte werden entsprechend mit dem Input des Vorverstärkers verbunden.
- Schritt 5
- Am Output des Vorverstärkers werden die aktiven Lautsprecher angeschlossen. Dafür werden hier die Bananenkabel über Krokodilklemmen am AUX-Anschluss der Lautsprecher angeschlossen. Ein Detailfoto davon ist in Abbildung 2 dargestellt.
Versuchsdurchführung
Um den Versuch durchzuführen müssen die Gleichspannungsquelle und die Lautsprecher eingeschaltet werden. Es empfiehlt sich die Audioverstärkung der Lautsprecher zunächst niedrig einzustellen und erst nach und nach zu erhöhen. Nun kann die erste Metallprobe in die Spulen eingesetzt werden. Wird nun der Magnet an die Probe angenähert sollte ein leises Rauschen zu hören sein.
Video
Autor: S.Zurek
Sammlung: Encyclopedia Magnetica
Copyright: CC-BY-4.0
Auswertung
Wird ein hartmagnetisches Material wie beispielsweise Stahl verwendet, so ist das Rauschen nur beim ersten Annähern des Magneten zu hören. Erst wenn man den Magneten umdreht ist das Rauschen erneut zu hören. Die Remanenz ist hier hoch. Nur wenige Weißsche Bezirke ändern nach dem Entfernen des Magneten ihre Richtung.
Vernwedet man stattdessen ein weichmagnetisches Material (z.B. Nickel), so ist das Rauschen auch beim Entfernen und beim erneuten Annähern des Magneten zu hören. Die Remanenz ist hier niedriger. Die Weißschen Bezirke werden bei erneuter Annäherung wieder gedreht.
Mögliche Probleme und ihre Lösungen
- Treten Störungseffekte auf so kann es daran liegen, dass die Erde der Gleichspannungsquelle (30 V) mit der Erde des Vorverstärkers verbunden wurde. Dies sollte so geändert werden, dass nur die Erde der selbstgebauten symmetrischen Spannungsversorgung mit der Erde des Vorverstärkers verbunden ist.
- Um zusätzlich Störungen zu vermeiden sollten die beiden Spulen weit entfernt von jedem netzbetriebenen Gerät stehen.
- Werden Spulen mit weniger Windungen verwendet so können diese auch weniger Rauschen einfangen. Für ihre Verwendung wird dann aber eine größere Verstärkung benötigt.
- Wird ein kleinerer Spulenquerschnitt verwendet, so führt dies auch zu weniger Rauschen. Bei einem Demonstrationsexperiment muss aber auch darauf geachtet werden, dass das Experiment gut zu erkennen ist.
- Der gesamte Aufbau sollte möglichst nur an einer Stelle mit der Erde verbunden werden. Andernfalls kann sich zwischen zwei Erdkontakten eine sogenannte Erdschleife bilden. Durch Induktion können in dieser Schleife elektromagnetische Störsignale eingefangen werden. Bei niederfrequenten Störsignalen kann dann die Impedanz der Schleife zu einem ungewollten Spannungsabfall führen.
- Dünnere Drähte lassen sich mit einem schwächeren Magneten besser magnetisieren als dickere. Ist der verwendete Draht zu dick ist kein Geräusch mehr zu hören.
Sicherheitshinweise
Verletzungsgefahr durch umkippende Versuchsaufbauten und sich l¨osende Teile (z.B. Massestücke). Insbesondere der Eisenkern der Spule ist schwer. Zusätzlich besteht die Gefährdungen durch Magnete. Wichtig ist hier die Quetschgefahr aufgrund der magnetischen Kraftwirkung. Es besteht außerdem eine Brandgefahr durch die Verwendung elektronischer Geräte.
Fotos
-
Abb.1: Kompletter Versuchsaufbau zur Demonstration des magnetischen Barkhausen-Effekts.
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Abb.2: Verbindung der Bananendkabel vom Output des Vorverstärkers zum Inputkabel der Lautsprecher.
Literatur
- ↑ H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.) (2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis. Berlin: Springer-Verlag GmbH. S. 195.
- ↑ H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.) (2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis. Berlin: Springer-Verlag GmbH. S. 256.
- ↑ Jan-Peter Meyn (2017). Demonstrating the Barkhausen effect with high signal-to-noise ratio. In: European Journal of Physics. Nr. 38. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6404/aa6e30
- ↑ Krug, Wolfgang et al. (2002). Physikalische Schulexperimente: Experimente für die Sekundarstufe II, Band 3. 1, 4 Druck. Bd. 3. Berlin & Berlin: Volk und wissen & Cornelsen Verlag. ISBN: 978-3-06-22299-5
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0