Bildquelle: https://ethw.org/Heinrich_Barkhausen
Der Barkhausen-Effekt wurde nach dem deutschen Physiker Heinrich Barkhausen (1881 – 1956) benannt. Der magnetische Barkhausen-Effekt, auch Barkhausensprünge oder Barkhausenrauschen besteht in diskontinuierlichen Änderungen der Magnetisierung von ferromagnetischen Werkstoffen in einem sich stetig ändernden magnetischen Feld. Legt man an einen ferromagnetischen Werkstoff ein äußeres magnetisches Feld an und erhöht langsam die magnetische Feldstärke dann steigt dessen Magnetisierung nicht stetig, sondern in kleinen Barkhausen-Sprüngen an.
Befindet sich der ferromagnetische Stoff innerhalb einer Spule, so wird immer genau bei diesen Sprüngen, die ja dann einhergehen mit einer sehr geringen Magnetfeldänderung innerhalb der Spule, eine Spannung induziert. Leitet man diese Spannung an einen Verstärker + Lautsprecher, so kann man diese Sprünge hörbar machen. Dies wies Heinrich Barkhausen 1917 erstmals elektroakustisch in Form eines Rauschens nach.
Ohne Magnet ist die Ausrichtung der Elementarmagnete in den sog. Weiß’schen Bezirken noch regellos:
Nähert man nun aber einen Magneten, so klappen die Elementarmagnete sukzessive um und richten sich zunehmend nach dem äußeren Magnetfeld aus:
Jedesmal wenn ein weiterer Bezirk umklappt, ändert sich geringfügig der magnetische Fluss innerhalb der Spule. Nach dem Faraday’schen Induktionsgesetz wird dann aber eine elektrische Spannung induziert:
Als ferromagnetischen Stoff verwende ich einen Weicheisenstab:
Um die geringen Spannungen hörbar zu machen, benötigt man einen Verstärker. Bei mir kommt ein kleines 2×3 Watt Modul zum Einsatz, welches ich schon zuhause hatte:
Die Spule habe ich mit 0.3 mm Kupferlackdraht gewickelt und komme auf einen Widerstand von 83 Ohm. Bei einem Widerstand von 0.24 Ω pro Meter und einem Spulenradius von r = 1 cm ergibt dies etwa 5500 Windungen.
Der Verstärker speist einen kleinen Lautsprecher:
Nähert man einen Magneten der Spule mit den darin befindlichen Weicheisenstab, so ist deutlich ein Rauschen, eben das Barkhausen-Rauschen zu hören, Heureka…
Hier noch das Youtube-Video:
Weil es so schön dazu passt habe ich noch die Hysteresekurve mit der Spule und dem Weicheisenkern aufgenommen. Betrieben habe ich die Spule direkt am 230V-Netz. Der ohmsche Widerstand beträgt ja 83.2 Ω und die Induktivität 427 mH. Damit komme ich bei 50 Hz auf eine Gesamtimpedanz von 157.9 Ohm. Die Spitzenstromstärke sollte daher am Hausnetz 2.06 A betragen, was für die Spule für kurze Zeit gerade so noch erträglich ist.
ACHTUNG: Beim Anschluss des Shunt-Widerstands ans Oszi ist aber unbedingt darauf zu achten, dass GND vom Oszilloskop mit dem Nullleiter verbunden ist und ja nicht mit dem Leiter. Denn sonst gibt es einen satten Kurzschluss und das Oszi ist unter Umständen kaputt! Vorher also unbedingt kontrollieren, wo der Leiter und der Neutralleiter sind!
Die magnetische Flussdichte messe ich außen am Ende des Weicheisenstabs mit einem Hallsensor vom Typ CYSJ362A. Dieser misst bis 3 Tesla und wird in meinem Fall mit einer 18650-Liion-Zelle versorgt. Dann beträgt die Empfindlichkeit rund 1.312 T/V.
Hier nun die aufgenommene Hysteresekurve. Auf der x-Achse ist das H-Feld respektive der Strom I angezeigt (1A/div) und auf der y-Achse die Flussdichte B mit 0.2624 T/div. Schaue ich mir die Extrema der Kurve an, so beträgt die Spitzenstromstärke knapp über 2 A und die maximale Flussdichte etwa 0.43 T. Die Hysteresekurve flacht bei dieser Flussdichte schon deutlich ab und geht in die Sättigung über.
Hier auf einem Einzelbild des Videos ist sogar die Neukurve zu sehen. Das ist der Verlauf bei der erstmaligen Magnetisierung beginnend beim Koordinatenursprung.
Es gibt noch eine weitere einfache Methode zur Aufnahme der Hysteresekurve und zwar ohne Magnetfeldsonde. Benötigt werden nur ein 115V-Printtrafo, ein Variac, ein 1 MOhm-Potentiometer und ein 10µF-Folienkondensator und ein Oszilloskop.
Beim Anschluss des Oszilloskop an den Variac ist unbedingt darauf zu achten, dass GND vom Oszilloskop mit dem Neutralleiter verbunden ist! Dafür muss gegebenenfalls der Netzstecker des Variacs in der Steckdose umgedreht werden. Also vor Inbetriebnahme unbedingt mit einem Voltmeter die Spannung des „unteren“ Pols des Variacs gegenüber dem Schutzleiter (Erde) überprüfen. Es müsste dann 0V angezeigt werden und nicht 230V!
Mit der x-Achse des Oszilloskops misst man die am ohmschen Widerstand (in meinem Fall ein 6.8 Ω Widerstand) abfallende Spannung. Diese ist ja proportional zum im Primärkreis fließenden Strom I. Und das Magnetfeld H ist wiederum proportional zur Stromstärke I. Also zeichnet man auf der x-Achse die Stärke des Magnetfelds H auf.
Mit der y-Achse des Oszilloskops misst man die Spannung am Kondensator. Dieser integriert über das Potentiometer die Sekundärspannung des Trafos auf. Die Kondensatorspannung ist also proportional zu ∫Usekundär dt. Laut Faradayschen Induktionsgesetz ist aber ∫Usekundär dt proportional zur magnetischen Flussdichte B. Also zeichnet man auf der y-Achse die magnetische Flussdichte B auf, genau das was wir wollen…
Damit man den kleinen Printtrafo mit dem Variac auch sicher in die Sättigung treiben kann, sollte man einen 115V-Printtrafo verwenden! Einen solchen habe ich auf den Kleinanzeigen gefunden…
Für den Versuch benötigt man auch einen Variac. Einen solchen besaß ich zum Glück bereits…
Hier der gesamte Messaufbau:
Die mit dem Oszilloskop aufgezeichnete Hysteresekurve B(H):
Für die beiden „Beulen“ der Hysteresekurve habe ich keine Erklärung. Falls jemand dazu eine Idee hat, kann er diese ja bei mir auf der Homepage als Kommentar deponieren… 😉
Das Youtube-Video reiche ich wie immer nach.
