der metalldetektor

SINNSORIK
DER METALLDETEKTOR
Personenkontrolle am Flughafen. Es ertönt ein schrilles Signal. Versucht jemand
eine Waffe in das Flugzeug zu schmuggeln? Nein, das Metall der Armbanduhr
löste den Alarm aus. Nachdem die Uhr abgelegt wurde, bleibt der Metalldetektor
still.
Es gibt verschiedene Messverfahren, die in Metalldetektoren genutzt werden. Im Folgenden wird ein
vereinfachtes Funktionsprinzip vorgestellt.
Funktionsweise
Zwei Spulen, eine Sende- und eine Empfängerspule, dienen als Grundbausteine. An die Sendespule
wird eine Wechselspannung angelegt, so dass ein sich ständig änderndes Magnetfeld erzeugt wird.
Dieses induziert in der Empfängerspule eine Wechselspannung (Transformatorprinzip).
Das Magnetfeld der Sendespule, das die Empfängerspule durchsetzt, wird durch metallische Objekte
verändert. Diese Änderung hängt von der Art des Metalls ab. Ein nicht-ferromagnetisches
Aluminiumstück, in dem sich Wirbelströme ausbilden, verändert das Signal der Sendespule ganz anders
als beispielsweise ein ferromagnetischer, geschichteter Metallkern, wie er in Transformatoren verwendet
wird. Mit dem veränderten Magnetfeld ändert sich auch die in der Empfängerspule induzierte Spannung.
Weitere aktuelle Anwendungen
Metalldetektoren werden nicht nur für die Personenkontrolle genutzt. Weitere Anwendungsgebiete sind
u.a. Schatzsuche, Kampfmittelbeseitigung (z.B. Detektion von Landminen), Auffinden verlegter
metallischer Leitungen und Aufspüren von Metallsplittern in Lebensmitteln.
SINNSORIK
EXPERIMENTE UND AUFGABEN RUND UM DEN METALLDETEKTOR
Experiment 1 – Funktionsweise des Metalldetektors
Das Signal der Sendespule eines Metalldetektors soll sichtbar gemacht werden.
Material:
Handelsüblicher Metalldetektor, Spule mit hoher Windungszahl als Empfängerspule, Oszilloskop oder
Spannungssensor
Durchführung:
Schließt die Empfängerspule an einem Spannungssensor oder
einem Oszilloskop an und stellt die durch den Metalldetektor
induzierte Spannung dar. Beschreibt das Signal der Sendespule
des Metalldetektors mit Hilfe von Fachbegriffen.
Experiment 2 – Ein selbstgebauter Metalldetektor
Material:
Sinusgenerator, Spule mit 3600 Windungen als Sendespule, Spule mit 150 Windungen als
Empfängerspule, Amperemeter, einfaches Voltmeter (Spannungssensor oder Oszilloskop),
Aluminiumstück, Transformatorkern, weitere Materialien (aus Metall, Holz und Kunststoff)
Durchführung:
Schließt unter Aufsicht der Lehrkraft die Sendespule in Reihe
mit einem Amperemeter an den Sinusgenerator an. Stellt die
3
Frequenz des Sinusgenerators auf 𝑓 = 3 ∙ 10 𝐻𝑧 ein. Schließt
die Empfängerspule an ein einfaches Voltmeter an und wählt die
Einstellung Wechselspannung (alternativ Oszilloskop oder
Spannungssensor verwenden). Positioniert die Sende- und
Empfängerspule in kleinem Abstand (wenige Zentimeter)
voneinander, so dass die Spulenöffnungen zueinander zeigen.
Dreht die Amplitude langsam auf, achtet dabei darauf, dass die
Stromstärke durch die Sendespule nicht zu hoch wird. Bringt
nun das Aluminiumstück in die Nähe der Spulen und beobachtet
das Voltmeter. Wählt einen passenden Anzeigebereich des
Voltmeters aus. Probiert mehrere Positionen des Aluministücks
relativ zu den Spulen aus. Bei welchen Positionen ist der Effekt
stärker, bei welchen schwächer? Erklärt Eure Beobachtungen.
Testet als nächstes den Transformatorkern und anschließend
die weiteren Materialen. Beschreibt und erklärt eure
Beobachtungen!
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Experiment 3 - Untersuchen verschiedener Materialien mit dem gekauften Metalldetektor
Material:
gekaufter Metalldetektor, verschiedene Materialien aus Metall und Kunststoff (wie bei Experiment 2)
Durchführung:
Untersucht mit dem Aufbau von Experiment 1 verschiedene Materialien mit dem Metalldetektor. Notiert
und erklärt eure Beobachtungen mit Hilfe des Funktionsprinzips des Metalldetektors.
Aufgaben
Beurteilt und begründet, ob
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die Sendespule auch mit Gleichspannung betrieben werden kann.
ein Metalldetektor besser kleine oder große Gegenstände (gleichen Materials) detektiert.
Überlegt euch weitere sinnvolle und wichtige Anwendungen für einen Metalldetektor zur Bewältigung
von Herausforderungen in der Zukunft.
Arbeitsaufträge
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Überlegt euch, wie ihr euren Mitschülerinnen und Mitschülern die Funktionsweise und Anwendungen
von Metalldetektoren vermitteln könnt. Dabei sollt ihr nicht nur informieren, sondern euch Leitfragen
überlegen, die eure Mitschülerinnen und Mitschüler beantworten können und mit denen ihr sie Schritt
für Schritt leitet. Anschauliche Experimente dürfen nicht fehlen. Zwischeninformationen, welche für
das Verständnis nötig sind, sollen interessant vermittelt werden, z.B. in Form eines gespielten
Interviews, von Zeichnungen, von Modellaufbauten, etc.
Bereitet eine kleine „Schatzsuche“ mit dem gekauften Metalldetektor vor, bei der verschiedene Stoffe
in Schachteln versteckt sind.