Barkhausen-Sprung

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Was ist der Barkhausen-Sprung?

Barkhausen-Sprünge sind sprunghafte Veränderungen der Magnetisierung eines Magneten, wobei sich die Richtung der Magnetisierung eines mikroskopischen Bereichs, des sogenannten Weißschen Bezirks, sprunghaft ändert. Dieses Phänomen wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von dem Physiker Heinrich Barkhausen entdeckt und nach ihm benannt. In einem Experiment können Barkhausensprünge z. B. als knackendes Geräusch in einem Lautsprecher hörbar gemacht werden.

Inhaltsverzeichnis

Ein Barkhausen-Sprung ist die simultane Änderung der Ausrichtung aller Elektronenspins in einem Weißschen Bezirk. In ferromagnetischen Materialien gibt es grundsätzlich Bereiche von einigen zehntel Millimetern Größe, in denen die Elektronenspins der Materie untereinander parallel ausgerichtet sind. Man nennt diese Bereiche Weißsche Bezirke bzw. Domänen. Die Elektronenspins in verschiedenen benachbarten Weißschen Bezirken sind jedoch nicht parallel ausgerichtet.

Deshalb ist in einem entmagnetisierten ferromagnetischen Stoff auch kein Magnetfeld messbar. Die Elektronenspins des einen Weißchen Bezirks stehen den Elektronenspins eines anderen Weißschen Bezirks entgegen und kompensieren somit ihre magnetische Wirkung wechselseitig.

Durch Magnetisierung kann jedoch erreicht werden, dass ein ferromagnetischer Stoff auch nach außen hin magnetisch erscheint. Grund ist, dass die Elektronenspins in dem Material bei der Magnetisierung alle weitgehend parallel ausgerichtet werden. Verschiedene Weißsche Bezirke verschmelzen dabei untereinander zu einem gemeinsamen großen Bezirk mit parallel ausgerichteten Elektronenspins.

Die Elektronenspins müssen dazu ihre Ausrichtung ändern. Aufgrund der starken Austauschwechselwirkung zwischen den einzelnen Elektronenspins geschieht dies jedoch nicht für jeden Spin einzeln, sondern in einem Weißschen Bezirk ändert sich unter dem Einfluss eines Magnetfeldes instantan die Ausrichtung aller Elektronenspins in diesem Bezirk. Alle Elektronspins ändern ihre Ausrichtung gemeinsam in Form eines kollektiven "Sprungs". Man spricht von einem Barkhausen-Sprung.

Barkhausen-Sprünge sind somit mit einer sprunghaften Änderung der Magnetisierung in einem ferromagnetischen Stoff verbunden.

Experiment zum Nachweis von Barkhausen-Sprüngen

Obwohl die Weißschen Bezirke, welche hierbei ihre Ausrichtung ändern, sehr klein sind (oft nur wenige µm groß), kann das sprunghafte kollektive Verhalten der winzigen Elektronenspins mit einem Experiment nachgewiesen werden.

Aufbau eines Experimentes zum Hörbarmachen von Barkhausen-Sprüngen

Das Experiment zeigt einen Aufbau zum Hörbarmachen von Barkhausen-Sprüngen.

In einer Spule befindet sich ein ferromagnetischer Stoff. Die Weißschen Bezirke des ferromagnetischen Materials sind untereinander nicht parallel ausgerichtet und das Material ist unmagnetisch. Beim Magnetisierungsvorgang durch einen extern angenäherten Permanentmagneten kommt es zur sprunghaften Richtungsänderung der Weißschen Bezirke. Dadurch ändert sich die Magnetisierung des Materials in der Spule sprunghaft und ein winziger Strom (der proportional zur Größe des Weißschen Bezirks ist, welcher seine Richtung geändert hat) wird messbar. Man kann den kurzen Strompuls beispielsweise durch einen Verstärker auf einen Lautsprecher geben, der dann bei jedem Sprung leise zu "knacken" beginnt. Das Signal kann mit einem Mikrofon weiter verstärkt werden.

Bei diesem Experiment wird ausgenutzt, dass bei vorsichtiger Magnetisierung nacheinander einzelne Weißsche Bezirke Barkhausen-Sprünge vollziehen. Mit Hilfe eines Permanentmagneten wird eine ferromagnetische Probe vorsichtig magnetisiert. Es kommt dadurch zum "Umklappen" der Spins von Weißschen Bezirken, was einen kurzzeitigen magnetischen Puls verursacht. Wickelt man das Material in eine Spule, so wird durch diesen magnetischen Puls kurzzeitig ein Strom in der Spule induziert. Dieser Strompuls kann verstärkt werden und dann über einen Zeigerausschlag sichtbar gemacht oder über einen Lautsprecher hörbar gemacht werden.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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