QASS µmagnetic – Zerstörungsfreie Härteprüfung mittels Barkhausenrauschen

Über 100 Jahre Barkhausenrauschen

Das frühe 20. Jahrhundert ist von Entdeckungen und Entwicklungen gekennzeichnet, die noch heute relevant für uns sind. Denn sie tragen dazu bei, dass wir die Welt, in der wir leben, besser verstehen. In diese Zeit fallen zum Beispiel die Entdeckungen der subatomaren Bausteine, aus denen unser Universum besteht. Mit diesen Entdeckungen war die Erkenntnis verknüpft, dass man das Verhalten dieser Teilchen nicht mehr mit den Methoden der klassischen Physik beschreiben kann. Dieser Umstand führte zur Quantenmechanik, die heutzutage unser Wissen über die Natur mitbestimmt.

In dieser Zeit der quantenmechanischen Entdeckungen wurde durch den deutschen Physiker Heinrich Georg Barkhausen auch das nach ihm benannte Barkhausenrauschen entdeckt. Das Barkhausenrauschen ist ein Effekt, den man ausschließlich bei ferromagnetischen Materialien beobachtet. Ferromagnetismus ist der jedem bekannte Magnetismus, den man zum Beispiel von Kühlschrankmagneten kennt. Daneben gibt es noch ein halbes Dutzend anderer magnetischer Effekte, deren Thematisierung jedoch den Rahmen dieses Artikels sprengen würde. Die Besonderheit bei ferromagnetischen Materialien besteht darin, dass diese eine Hysterese zeigen, wenn man sie magnetisiert bzw. ihre magnetische Orientierung ändert. Eine Hysterese beschreibt einen Kurvenverlauf, bei dem der Verlauf der Kurve vom Anfangszustand abhängt.

Das Modell der Elementarmagneten

Um zu verstehen, was sich in einem ferromagnetischen Material abspielt, wenn es magnetisiert wird bzw. wenn man dessen magnetische Orientierung ändert, greift man am besten auf die Modellvorstellungen zurück, die vor rund 100 Jahren erarbeitet wurden. Der französische Physiker Pierre-Ernest Weiss postulierte die Existenz von Elementarmagneten in einem ferromagnetischen Festkörper. Diese Elementarmagnete, die nach ihrem Entdecker Weiss-Domänen genannt werden, nehmen eine bestimmte magnetische Richtung ein. Sie stellen sozusagen die kleinsten magnetischen Bereiche in einem Material dar. Diese Bereiche sind zwar sehr klein, bestehen aber dennoch aus vielen Atomen. Für die Entstehung von Weissschen Bezirken ist die Kristallisation dieser Atome in einem kubisch raumzentrierten Gitter notwendig. Denn Ferromagnetismus ist ein kooperativer Effekt, der sich nicht auf individuelle Atome zurückführen lässt.

In einem nicht-magnetisierten ferromagnetischen Material zeigen die Elementarmagnete oder Weissschen Bezirke zufällig in alle Richtungen. Sie heben sich in ihren Wirkungen nach außen gegenseitig auf. Das Material verhält sich nicht magnetisch. Bringt man ein derartiges Material in ein äußeres Magnetfeld ein, richten sich die Weiss-Domänen parallel zu diesem aus bis das gesamte Material vollständig magnetisiert ist. Man spricht davon, dass das Material in der Sättigung ist. Das heißt, es kann nicht weiter magnetisiert werden. Und hier kommt die Hysterese ins Spiel: Wenn wir die Richtung des äußeren Magnetfeldes umkehren, beginnt das ferromagnetische Material damit, die magnetische Orientierung zu ändern. Dies geschieht zuerst langsam, da sich das effektiv wirksame Magnetfeld aus einer Überlagerung des äußeren sowie des inneren Magnetfeldes zusammensetzt. Diese beiden Magnetfelder sind einander entgegengesetzt, was dazu führt, dass zu Beginn nur ein abgeschwächtes äußeres Feld wirksam ist. Je weiter die Um-Magnetisierung fortschreitet, desto stärker wird das effektiv wirksame Feld. Hierdurch nimmt die Um-Magnetisierung an Geschwindigkeit zu, bis schließlich die magnetische Orientierung des ferromagnetischen Materials vollständig gewechselt hat. Wechselt man erneut die Orientierung des äußeren Magnetfeldes, wiederholt sich der Vorgang. Zuerst beginnt die Umorientierung langsam, dann nimmt sie Fahrt auf und geht schließlich in die Sättigung.

Die Entstehung der Hysterese ist logisch und verständlich, allerdings ist der Kurvenverlauf nicht stetig, sondern besteht aus kleinen diskreten Sprüngen. Heinrich Georg Barkhausen hat experimentell herausgefunden, dass das Umorientieren der einzelnen Elementarmagnete nicht gleichzeitig, sondern willkürlich nacheinander erfolgt. Er hat mit seiner Beobachtung gezeigt, dass die Annahme von Pierre-Ernest Weiss bezüglich der Existenz von Elementarmagneten richtig ist. In seinem Versuchsaufbau führte jeder Wechsel der magnetischen Orientierung eines Elementarmagneten zu einem kleinen Stromfluss in einer Spule. Dieser Strom lässt sich als Aneinanderreihung von Knack-Geräuschen über einen Verstärker und Lautsprecher hörbar machen. Deswegen heißt der Effekt Barkhausenrauschen.