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Experimente sind die Grundlage aller Forschung. Experimente können verblüffen und überraschen, sie können überzeugen aber auch enttäuschen. Leonardo-Experimentator Sascha Ott wird einmal im Monat das Radio-Studio zum Labor machen und erstaunliche Phänomene hörbar machen. Warum funktioniert die Welt so und nicht anders? Und wird das Experiment gelingen?

Eine spannende Reportage führt nach jedem Experiment raus aus dem Studio-Labor an die Orte, wo das Phänomen im Alltag genutzt wird. Wissenschaft hautnah, spannend und informativ!

Die knacksenden Magneten  oder  Wie man in einen Stahlträger hineinschaut

Bei einem Experiment soll etwas herauskommen. Am schönsten ist es natürlich, wenn etwas herauskommt, das zuvor im Verborgenen lag, nicht zu erkennen war. Das geschieht bei diesem Experiment geradezu im Wortsinne: Es macht nämlich eine Eigenschaft wahrnehmbar, die eigentlich unsichtbar in einem Material verborgen ist: Magnetismus. Genauer gesagt: Dieses Experiment macht hörbar, wie ein Stück Eisen magnetisiert wird. Der Aufbau ist zwar etwas umfangreicher, als sonst im LEO-Labor üblich, aber er lohnt sich.

Erst wickeln und löten, dann horchen und staunen

Wir benötigen ein Stück Roheisen (bzw. möglichst wenig gehärteten Stahl) und etwa 10 Meter Kupferlackdraht (beschichteter Kupferdraht, wie er auch in der Floristik verwendet wird) aus dem Baumarkt, außerdem einen alten Transistorverstärker mit Lautsprecher und externer Audio-Eingangsbuchse (zum Beispiel ein altes tragbares Radio), einen passenden Stecker für diese Buchse (in den meisten Fällen wird dies ein kleiner Klinkenstecker sein) und schließlich einen starken Magneten. Um das Eisenstück wickeln wir in dichten Windungen den Kupferlackdraht. Dann müssen wir die Enden abisolieren und an den Stecker löten oder anders stabil befestigen. Stecker in den Verstärker, Verstärker einschalten - und los geht´s: Wir bewegen den Magneten in der Nähe des Eisenstücks, nähern ihn an, von der Seite, von den Enden, führen ihn an der Seite entlang. Was hören wir im Lautsprecher? Wenn alle Bauteile richtig gewählt wurden - das Eisen weich genug, der Verstärker alt und somit empfindlich genug, der Magnet stark genug - dann ist im Lautsprecher ein deutliches Rauschen zu vernehmen. Dieses Rauschen brandet auf, immer wenn der Magnet in der Nähe des Eisenstücks bewegt wird. Dieses Rauschen heißt „Barkhausen-Rauschen“. Es entsteht durch die Magnetisierung des Eisens.

Winzige Magnete tief im Eisen

Der Effekt ist benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Barkhausen (1881-1956). Er machte im Jahre 1917 erstmals hörbar, dass ein Stück Eisen nicht kontinuierlich magnetisiert wird, sondern in vielen kleinen Sprüngen. Das Eisen besteht aus einer Vielzahl mikroskopisch kleiner Regionen, die alle ein magnetisches Moment haben, also in eine bestimmte Richtung magnetisiert sind. Diese Bereiche heißen „Weiss-Bezirke“. Sie orientieren sich am Kristallgitter eines Materials und sind im Bereich einiger tausendstel bis zu zehntel Millimeter groß. Normalerweise, im unmagnetischen Eisen, sind die Weiss-Bezirke völlig ungeordnet und zufällig magnetisiert. Nähert sich aber ein Magnet von außen, dann richten sich alle Regionen nach diesem Magnetfeld aus. Zur Veranschaulichung kann man sich ein Lehrmittel aus dem Physik-Unterricht vor Augen führen: Dort gab es durchsichtige Kunststoffkästen mit dutzenden kleinen Kompassnadeln. Die standen alle kreuz und quer, bis man einen Magneten in die Nähe brachte, woraufhin sich alle ruckartig in eine Richtung ausrichteten. Ähnliches geschieht auch hier im Eisenstück. Die magnetischen Momente aller Weiss-Bezirke zeigen in die gleiche Richtung, das Eisen ist magnetisiert.

Tausendfaches Knacksen ergibt ein Rauschen

Wodurch wird diese Magnetisierung nun hörbar? Immer wenn sich die Magnetisierung eines Weiss-Bezirks ändert, wird nach den Regeln des Elektromagnetismus in der Kupferspule, die wir um das Eisen gewickelt haben, ein winziger Strom induziert, also verursacht. Dieser Strom macht sich im Lautsprecher als leises Knacksen bemerkbar. Die Masse der tausenden magnetischen Elementarbereiche im Eisenstück sorgt dann bei Annäherung des Magneten für vielfaches Knacksen, also ein wellenartig anschwellendes Rauschen. Bewegt man den Magneten an eine andere Stelle, dann folgen die Elementarmagnete und es rauscht erneut. Auf diese Weise kann man tatsächlich hören, was sich im Inneren eines Stückchens Eisen abspielt und wie die eigentlich für unsere Sinne nicht wahrnehmbare Eigenschaft des Magnetismus (wir sind ja keine Zugvögel) sich in einem Werkstoff ausbreitet.

Rauschen warnt vor Materialfehlern

Weil das Barkhausen-Rauschen Einblicke in die Innere Struktur eines Materials ermöglicht, lässt sich der Effekt auch praktisch einsetzen. Die Stärke des Rauschens gibt nämlich auch Auskunft darüber, welche Spannungen in einem Stahlstück herrschen und ob es gut gehärtet wurde. Zu viele Spannungen im Material erhöhen die Gefahr, dass ein Werkstück bricht. Daher werden wichtige Bauteile, z.B. des Motors oder Antriebs eines Hubschraubers, vor dem Einbau geprüft, um die Gefahr eines Material- oder Herstellungsfehlers so gering wie möglich zu halten. In speziellen Prüfständen kann die Härte des Stahls getestet werden: Reagiert das Material auf eine Anregung mit einem Magneten mit intensivem Barkhausen-Rauschen, scheint es im Herstellungsprozess nicht mit der gebotenen Sorgfalt bearbeitet worden zu sein. Eine solche Prüfung ist natürlich relativ aufwändig. Aber an entscheidenden kritischen Stellen ist man durchaus bereit, das Material etwas genauer in Augenschein zu nehmen, um das Ausfallrisiko zu minimieren. Und dort kann das Barkhausen-Rauschen tatsächlich ein nützliches Hilfsmittel sein, um Unsichtbares zutage zu fördern.

Manuskript