Laserwippe, Terfenol-D, Spule mit Gleichstrom

In den vorbereitenden Experimenten haben wir mit dem Finger gespürt, dass der Soundbug vibriert. Wir konnten aber keine Bewegung oder Ausdehnung sehen. Ein Terfenol-D Stab von einem Meter Länge streckt sich maximal um 2 mm.[1] Wir haben einen Stab von 35 mm Länge. Mit diesem Experiment wollen wir untersuchen, wie sich Terfenol-D in verschieden starken Magnetfeldern ausdehnt und welchen Einfluss die Richtung des Magnetfelds hat. Die Magnetfelder erzeugen wir mit einer Spule, durch die Gleichstrom fließt (Elektromagnet).

Aufbau

Auf einer Wippe befestigen wir einen Laserpointer. In die Spule machen wir den Terfenol-D Stab und einen Messing-Zylinder mit Spitze. Die Spule stellen wir so unter die Laserwippe, dass die Wippe auf der Spitze des Zylinders liegt. Der Abstand der Spitze von der Achse der Wippe beträgt 12 mm. An der Wand befestigen wir Millimeterpapier. Der Abstand von Achse zu Millimeterpapier beträgt 4 Meter. Wir schließen die Spule an ein Labornetzteil an. Wir schalten den Laserpointer an. Wir stellen das Netzteil auf 9 V Gleichstrom ein und schalten es 5 Mal an und aus. Nach jedem Schalten messen wir die Bewegung des Lichtpunkts auf dem Millimeterpapier. Das wiederholen wir mit 18 und 27 V.

Dann vertauschen wir die Pole der Stromversorgung und wiederholen alles.

 

Erwartung

Der Lichtpunkt bewegt sich unterschiedlich stark.

Beobachtung

Wenn wir den Laserpointer einschalten, ist ein Lichtpunkt auf dem Millimeterpapier sichtbar. Wenn wir das Netzteil einschalten, bewegt sich der Lichtpunkt schnell nach unten. Wenn wir ausschalten, bewegt sich der Lichtpunkt wieder nach oben an den Ausgangspunkt.

Eine Bewegung der Wippe konnten wir nicht sehen.

Je stärker die Spannung ist, umso größer ist die Bewegung von dem Lichtpunkt. Wenn wir die Stromrichtung ändern, ändern sich die Messergebnisse nicht.

Mit einem Kompass haben wir festgestellt, dass der magnetische Nordpol vor dem Umpolen an der Spule unten ist. Nach dem Umpolen des Stroms ist der magnetische Nordpol oben.

Spannung	Südpol oben	Nordpol oben
9 V	1, 1, 1, 1, 1 mm	1, 1, 1, 1, 1 mm
18 V	3, 3, 3, 3, 3 mm	3, 3, 3, 3, 3 mm
27 V	5, 5, 5, 5, 5 mm	5, 5, 5, 5, 5 mm

Tabelle 3: Messergebnisse Bewegung Lichtpunkt

Ein Video von diesem Experiment haben wir bei youtube unter https://youtu.be/7zjwn_0dC7M?list=UUlWh8RwEkGlIB1hQaY7G_1A veröffentlicht.

Erklärung

Wenn kein Strom durch die Spule fließt, sind die Elementarmagnete in dem Terfenol-D-Stab ungeordnet. Der Stab ist entspannt. (Vgl. Abbildung 3, Position 1)

Wenn ein Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld (Elektromagnet). Das Magnetfeld ist umso stärker, je mehr Strom fließt. Nach der Rechte-Faust-Regel zeigt der Daumen in Richtung des sich bildenden magnetischen Nordpols, wenn die Spule so mit der Hand umfasst wird, dass die Finger in Richtung der technischen Strom Richtung (also vom Pluspol zum Minuspol der Stromquelle)[2].

Die Elementarmagnete in dem Terfenol-D-Stab richten sich entlang des Magnetfelds gleich aus. Sie richten sich umso stärker aus, je stärker das Magnetfeld ist. Die gleiche Ausrichtung der Elementarmagnete verursacht die Streckung (Abbildung 3, Position 2-4)[3].

Die Streckung steigt mit zunehmender Stärke des Magnetfelds (Abbildung 3, Position 2 und 3).

Wenn der Strom ausgeschaltet wird, dann verschwindet das Magnetfeld wieder. Die Elementarmagnete sind dann wieder durcheinander und der Stab entspannt sich wieder. Das kann man beliebig oft wiederholen.

Abbildung 3: Magnetostriktion durch Ausrichtung Elementarmagnete im Magnetfeld

Eine Bewegung der Wippe konnten wir nicht sehen, weil sie nur winzig klein war. Der Stab hat sich im Magnetfeld ganz wenig gestreckt und den Messingzylinder nach oben gerückt. Das hat die eine Seite der Wippe ganz wenig angehoben. Die Seite der Wippe mit dem Laserpointer ist dabei ganz wenig nach unten gegangen. Das hat aber gereicht, damit in 4 Meter Entfernung der Lichtpunkt vom Laser sich deutlich nach unten bewegt.

 

Spannung	Bewegung Lichtpunkt	Streckung Terfenol-D-Stab
9 V	1 mm	0,003 mm
18 V	3 mm	0,009 mm
27 V	5 mm	0,015 mm

Tabelle 4: Berechnung Streckung Terfenol-D-Stab

Das sind so winzige Streckungen, dass man sie mit dem Auge nicht sehen kann. Mit einem Lineal können wir sie auch nicht messen. Aber mit der Wippe und dem 2. Strahlensatz haben wir das geschafft.

 

Beispiel:

 

AM = Abstand von Achse (Wippe) zu Millimeterpapier = 4000 mm

AS = Abstand von Achse (Wippe) zu Spitze = 12 mm

MM‘ = Bewegung Lichtpunkt auf Millimeterpapier = 5 mm

SS‘ = Streckung Stab

2. Strahlensatz

AM : AS = MM‘ : SS‘

Formel umgestellt

SS‘ = 

Das ist so wenig, dass man das mit dem Auge nicht sehen kann.

 

[1] Wikipedia-Artikel zu Terfenol-D

[2] Artikel Wikipedia Korkenzieherregel

[3] Artikel Wikipedia Magnetostriktion; https://www.youtube.com/watch?v=MmopHPp4dQA&list=PLs1Dw4KGTTuJ7yzo8UFc6KnIdHusAra11