Wird ein Eisennagel oder besser ein Stück Trafoblech in die Spule
gehalten, und ein Magnet davor leicht hin und her bewegt, so wird aus dem
Lautsprecher ein Rauschen hörbar. Auch wenn man den Magnet ruhig hält
und das Eisen davor bewegt, ist das Geräusch deutlich zu hören.
Hält man dagegen den Magnet ruhig, so verstummt das Rauschen.
Auch wenn man das Eisen aus dem Spuleninneren entfernt, und dann den Magnet
vor der Spule bewegt, ist nichts zu hören. Das Rauschen muss also
durch das Eisen im wechselnden Magnetfeld erzeugt werden.
Das Rauschen lässt sich übrigens durch jede Art von Feldstärkeänderung
erzeugen. So kann man das Feld des Magneten durch einen zweiten teilweise
aufheben, oder man klebt (magnetisch) das Trafoblech auf den Magneten,
um dann durch Verbiegen des Bleches das Rauschen erzeugen. Das sieht so
aus, als würde das Verbiegen hörbar, doch ohne Magnet tut sich
auch hierbei nichts. Es wird nämlich nur das Eisen im nichtlinearen
Feld des Magneten bewegt, was wieder einer Feldänderung gleichkommt.
In diesem Video ist sehr schön der Zusammenhang das Rauschens mit
den Bewegungen des Magneten zu hören. Befindet sich der Magnet nahe
beim Trafoblech, so ist des Rauschen sehr laut zu hören, da hier eine
kleine Bewegung schon eine große Feldstärkeänderung erzeugt.
Bei größerem Abstand wird das Rauschen dann immer schwächer.
Das soll nicht heißen, dass die einzelnen Knackgeräusche leiser
werden. Es kippen nur weniger Elementarmagnete um, was gegen Ende des Videos
gut zu hören ist.
Mit starken Magneten ist es möglich diese Geräusche auch
noch bei einem Abstand von 50cm hörbar zu machen. Dann wird immer
deutlicher erkennbar, dass es einzelne Sprünge sind, die das Rauschen
bilden.
Theoretischer
Hintergrund
Eisen kann nicht linear magnetisiert werden. Der Magnetisierungsvorgang
geschieht vielmehr in vielen kleinen Sprüngen. Dazu kann man sich
die Elementarmagnete als kleine Würfel vorstellen, die durch die kristalline
Struktur des Eisens begrenzt werden. Erst wenn eine gewisse Feldstärke
erreicht ist, kippt der Würfel schlagartig in seine neue Lage, wodurch
eine Änderung im Magnetfeld entsteht. In einer Spule mit genügenden
Windungen induziert das eine Spannung, die über den Verstärker
hörbar gemacht wird. Da sehr viele Elementarmagnete gleichzeitig umkippen,
vermischen sich die einzelnen Knackgeräusche zu einem Rauschen.
Mit dieser Anordnung lässt sich das Verschwinden des Barkhauseneffektes
bei hohen Temperaturen zeigen. Dazu wird ein Eisendraht (Blumendraht) durch
Strom zum Glühen gebracht. Bis zu einer gewissen Temperatur ist es
wie beim Eisennagel möglich, durch leichte Bewegungen mit dem Magnet,
ein Rauschen im Lautsprecher zu erzeugen. Es ist allerdings etwas schwächer,
da der Stromfluss durch den Draht diesen schon ein wenig vormagnetisiert.
Wird der Draht weiter aufgeheizt, so verschwindet schließlich
das Rauschen bei Erreichen der Curie-Temperatur (Umwandlung des Ferro-
in Paramagnetismus). Diese liegt für Eisen bei 744°C. Das ist
etwa dann, wenn das Eisen gerade hellrot zu glühen beginnt.
Wichtig ist bei diesem Experiment, ein Netzgerät mit geringer
Brummspannung zum Heizen zu verwenden. Steht ein solches nicht zur Verfügung,
so ist ein Bleiakku zu empfehlen. Es ist nicht notwendig die Spule
so verteilt zu wickeln, wie hier im Bild. Führt man den Draht nämlich
in die obige Testspule bifilar hinein, so hebt sich das Magnetfeld des
Heizstromes weitgehend auf, und es treten keine Sättigungen mehr auf.
Dann erreicht man auch mit einer kleinen Spule brauchbare Signalspannungen.
Aufbau und Funktion
Induktionsspule:
Die Spule besteht aus 4000 Windungen mit 0,12mm Lackdraht. Dieser ist
auf einem Stück PVC Rohr mit 50mm Durchmesser gewickelt. Das ergibt
in etwa einen quadratischen Querschnitt von 1cm Seitenlänge. Es ist
zu empfehlen, als erste und letzte Windung je eine Lage Alufolie zu wickeln,
und diese mit Masse zu verbinden. Das hilft die störenden Brummgeräusche
von Netzleitungen zu unterdrücken. Die Windung aus Alufolie sollte
aber nicht kurzgeschlossen sein, da sonst die Induktion teilweise aufgehoben
wird. Diese Spule besitzt etwa einen Innenwiderstand von 857 Ohm, wodurch
sie sich besonders für einen Anschluss an Kohle-Mikrophoneingänge
mit 600 Ohm eignet.
Verstärker:
Der Verstärker besteht aus einem empfindlichen Mikrophonvorverstärker
und einem Leistungsverstärker. Zusätzlich wurde noch ein Hochpassfilter
zuschaltbar eingebaut, um Netzbrummen und Gleichspannungsänderungen
durch die Bewegungen des Magneten auszufiltern. Um Brummen zu vermeiden,
empfiehlt sich auch die Versorgung über Batterien und ein Einbau in
ein Metallgehäuse.
Die Schaltungen für die Verstärker sind relativ leicht aus
diverser Elektronikliteratur zu beschaffen, und in ihrer Dimensionierung
eher unkritisch. Hier ist nur ein Beispiel von einem Vor- und Endverstärker
stellvertretend für viele andere Schaltungen, die vielleicht auch
noch besser funktionieren, angegeben.
Für erste Versuche wird es aber auch mit jeder Stereoanlage funktionieren. Da sich das Rauschen sehr gut vom Netzbrumm unterscheiden lässt, ist es auch gar nicht so störend, wenn es ein bisschen brummt. Aufpassen muss man nur, dass man nicht durch die Bewegungen des Magneten Gleichspannungen erzeugt, die den Verstärker begrenzen und so diverseste Geräusche erzeugen. Besser ist es nur das Eisen vor dem stillstehenden Magneten zu bewegen.
Verbesserungsvorschläge:
Das Hochpassfilter ist nicht die optimale Lösung zum Ausfiltern
der 50Hz Brummgeräusche, die eigentlich immer vorhanden sind, sobald
man sich innerhalb eines Gebäudes mit Elektroinstallation befindet.
Eine sehr saubere, wenn auch aufwendigere Lösung währe die Verwendung
eines Resonanzfilters, das auf 50Hz abgestimmt ist. Es ist möglich
eine Induktivität durch Operationsverstärker nachzubilden (=Gyrator-Schaltung),
und so mit einem Kondensator einen Schwingkreis aufzubauen, der im Resonanzfall
dann einen Großteil der Brummspannung kurzschließt.
Vorschläge für weitere Versuche:
Mit dieser hochempfindlichen Spule ist es möglich fast jede Art
von Stromfluss in Leitungen hörbar zu machen. Es ist sehr interessant,
die Spule auf verschiedene Elektrogeräte zu halten. Es werden die
kuriosesten Geräusche hörbar, und man kann einiges über
die Arbeitsweise der Geräte herausfinden. Sehr gut eignen sich Armbanduhren,
Taschenrechner, Computer, Fernbedienungen, Digitalanzeigen, usw....
Um die Empfindlichkeit dieser Spule zu testen, habe ich mit einem Frequenzgenerator
eine zweite Spule (Prim. Wicklung von Netztrafo ohne Eisenkern) mit einer
Frequenz von 1kHz angespeist. Der Pfeifton ist auch nach in einer Entfernung
von 3m (!) mit der Spule aufnehmbar. Dabei ist es aber wichtig,
die beiden Spulen gleich zu polarisieren. D.h. die magnetischen Feldlinien
müssen sich über beide Spule schließen können. Dreht
man eine Spule um 90°, so ist fast nichts mehr zu hören. Nach
diesem Prinzip kann man sehr leicht eine Ortung für Bohrungen in Gebäuden
durchführen.
Dieses Experiment zeigt, wie leicht man eine falsche Vorstellung von
der Realität bekommen kann. Viele denken, Eisen lässt sich linear
magnetisieren, und hat sonst keine Wirkung auf ein ansteigendes Magnetfeld.
Doch das ist nicht so, wie dieses Experiment zeigt.
Wenn man die Fragen (Experimente) richtig stellt (durchführt),
dann gibt die Natur auch die richtig Antwort (Ergebnisse).
Viel Spaß beim Formulieren der Fragen.