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Warum brummen Transformatoren?

Transformatoren schwingen wegen der so genannten Magnetostriktion. Das ist eine Eigenschaft ferromagnetischer Materialien wie beispielsweise Eisen, die ihre Ausdehnung ändern, wenn ein Magnetfeld auf sie einwirkt. Die Physik, die dahintersteckt, ist im Detail noch nicht genau erforscht.

Ein Transformator besteht meist aus einem u-förmigen Kern aus Eisen, über den zwei Spulen gestülpt sind, um elektrische Spannungen umzuwandeln. Im Takt der am Trafo angelegten Wechselspannung ändert sich nun ebenfalls die Magnetisierung des Eisenjochs, was zu einer winzigen Stauchung führt. Techniker nennen diesen Effekt Magnetostriktion. Als Folge davon beginnt der Transformator zu brummen.

Die Magnetostriktion ist übrigens ein noch nicht vollständig geklärtes physikalisches Phänomen. Ferromagnetische Materialien erhalten ihre magnetischen Eigenschaften dadurch, dass sich die Spins der im Festkörper mehr oder weniger frei beweglichen Valenzelektronen über mikroskopisch kleine Bereiche jeweils parallel ausrichten. Man kann sich das wie kleine Stabmagnete vorstellen, deren Nordpol jeweils in die gleiche Richtung weist. Das Arrangement ist an und für sich ungewöhnlich, da es sich normalerweise nicht um den energetisch günstigsten Zustand handelt. Das kollektive Strammstehen ist jedoch eine direkte Folge einer quantenmechanischen Wechselwirkung, die letztlich auf das Pauli-Prinzip zurückzuführen ist. Weil Nordpol an Nordpol und Südpol an Südpol liegen, stoßen sich die magnetischen Momente ab, und das Material dehnt sich entsprechend ein wenig aus.

Wirkt nun von außen ein starkes magnetisches Feld entgegengesetzt zur Polarisation der Spins, so klappen nach und nach die magnetischen Momente um: Nun liegen sich häufiger Nord- und Südpole gegenüber und ziehen sich an, was zu einer minimalen Stauchung führt. Im Eisenjoch sind das oft nur Mikrometer. Der periodische Wechsel von Zusammenziehen und Streckung führt dann zum hörbaren Ton. Ausgenutzt wird dieser Effekt in der Technik beispielsweise, um Ultraschall zu erzeugen.

09.07.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09.07.2004

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