Drei Hochfrequenzspulen (Foto) unterschiedlicher Bauart: eine HF-Drossel (links), eine mit Cu-Draht bewickelte Ringkern-Spule (mitte) und eine aus HF-Litze gefertigte Kreuzwickelspule (rechts). Sie haben vergleichbare Induktivitäten (400.. 600 μH), sollten sich aber in ihren Hochfrequenz-Eigenschaften voneinander abheben. Sieger in Sachen HF-Tauglichkeit müsste die Kreuzwickelspule sein. Das prüfen wir nach, indem wir aus jeder der Spulen und einem Kondensator (Kapazität 10 nF) einen Schwingkreis bilden und  dessen Güte-Faktor (Q-Wert) messen.  Hier das Ergebnis.  Die Resonanzfrequenz des Kreises ist von der Größenordnung 70 kHz. Bei höheren (oder niedrigeren) Frequenzen erhalten wir möglicherweise andere  Werte. Ist die Kreuzwickelspule wirklich besser als die beiden anderen?

Beim Stöbern im Internet entdecke ich die Anleitung für ein physikalisches Experiment – offenbar ein Versuch des Grundpraktikums Physik an der Universität Oldenburg¹. Aufbau und Ausführung sollten kein Problem sein, ich mache mich dann auch sofort an die Arbeit: Untersucht werden soll ein elektromagnetischer RLC-Serienkreis mit einer Resonanzfrequenz von etwa 70 kHz. Zu messen sind zunächst die Abklingkonstante und die Eigenfrequenz der freien Schwingung, und dann, im Fall der erzwungenen Schwingung, die Amplitudenresonanz- und Phasenkurve. Der Kreis, bestehend aus Widerstand, Spule und Kondensator, wird auf einer Experimentierplatine (Hirschmann XP101) zusammengesteckt, das Oszilloskop an den PC angeschlossen und der Funktionsgenerator eingeschaltet. Als Oszilloskop benutze ich das USB-Oszilloskop PicoScope 2208B. Das Gerät besitzt einen arbitrary wave generator (AWG), der als Funktionsgenerator dient. Das Foto zeigt den Messaufbau und (auf dem Bildschirm des PC) die Resonanzkurve des Kreises, aufgenommen nach dem sweep-Verfahren.
Hier mein vollständiges „Versuchsprotokoll”.

¹ Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Fakultät V – Institut für Physik, Modul Grundpraktikum Physik – Teil II: Elektromagnetischer Schwingkreis: https://uol.de/fileadmin/user_upload/…/ag/…/Elektromagnetischer_Schwingkreis.pdf

Endlich ist es mir gelungen, Schumann-Resonanzen¹ auch in einer elektrisch nicht gerade störungsarmen Umgebung nachzuweisen – und zwar im Garten hinter dem Haus. Experten erzeugen an geeigneteren Standorten und mit mehr Aufwand bessere Spektren. Mir ging es darum, sie überhaupt zu beobachten. Und das mit bescheidenen Mitteln. Die Peaks der Resonanzen sind zwar mickrig, aber deutlich zu sehen.

Ich benutze den von S. Fusare² beschriebenen Empfänger, der die elektrische Feldstärke nachweist. Er besteht aus einer etwa 2 m langen (vertikalen) Stabantenne und einem Impedanzwandler, der den Wechselstromwiderstand der Antenne (Größenordnung 900 MOhm) an die nachfolgende Elektronik anpasst. Mein früherer Artikel³ zeigt den Stromlaufplan. Die Antenne steht, auf einem etwa 3 m hohen Mast montiert, in der Mitte eines Rasenstücks. Der Rasen ist von niedrigen Bäumen und Sträuchern umgeben (Abstand etwa 5 m) – Wie schon angedeutet kein idealer Standort, da die Bäume als kapazitive Spannungsteiler das Signal der Antenne herunterdrücken.

Der Antennenstab ist am Fußpunkt direkt mit der Eingangsbuchse des Empfängers verbunden. Die Isolation der Buchse (Teflon) wird sorgfältig mit Spiritus gereinigt und deren Lötkontakt direkt mit dem Gatepin des JFET-Eingangstransitors (BF 245) verbunden. Der Ausgang des Empfängers ist über ein etwa 20 m langes Koaxialkabel (RG174) mit einem USB-Oszilloskop (Pico 2208B) verbunden, das als Analog-Digitalwandler arbeitet. Eine FFT-Software besorgt die Spektralanalyse.

Die Abbildung zeigt das Ergebnis meiner Messung. Messdauer etwa zwei Stunden, das Spektrum entstand durch Mittelwertbildung über dieses Zeitintervall. Die Schumann-Peaks bei 8, 14, 20, 26 und 32 Hz heben sich deutlich vom Rauschen ab. An den Stellen 16 2/3 Hz, 33 1/3 Hz und 50 Hz machen sich Bahnstrom, deren Oberwelle und Netz-Versorgung in Form scharfer Linien bemerkbar – und stören zum Teil.

Die Schumann-Resonanzen sind, wie in der Abbildung zu sehen, breite Buckel – keine scharfen Linien. Ihr Q-Wert ist klein. Seine Berechnung ist Thema einer Übungsaufgabe des Lehrbuchs Classical Electrodynamics von J. D. Jackson – und dem Niveau des Buchs entsprechend anspruchsvoll. Wer damit nicht zurechtkommt (z. B. ich), kann sie einer der Sammlungen von Lösungen entnehmen, die im Netz vorhanden sind. Hier habe ich versucht, den Rechenweg anhand einer dort veröffentlichten Lösung⁴ nachzuempfinden.

¹ Schumann, W. O. (1952): Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist. Zeitschrift und Naturforschung 7a: 149–154. Bibcode:1952ZNatA…7..149S.
² Fusare, Scott (Rufzeichen N2BJW): An experimenters approach to detecting the Schumann Resonances, zitiert in home.arcor.de/peter.schmalkoke/…/schumann1.pdf
³ Theissen, H.: Schumann-Resonanzen, erster Versuch
⁴ Aufgabe 8.9 des Buchs J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, Wiley 1962,  siehe www_personal.umich.edu/~pran/jackson/P506/hw02a.pdf

Auf dem Flohmarkt gibt es herrliche Exemplare von Muscheln. Ich kann nicht widerstehen, kaufe einige und halte sie ans Ohr – das Rauschen ist deutlich zu hören. Je lauter das Rauschen, desto besser die Muschel? Warum besser? Und überhaupt: Was rauscht denn da?

Das klären wir später. Zunächst einmal: Die Muscheln vom Flohmarkt sind gar keine Muscheln, sondern Meeresschnecken. Eigentlich die Gehäuse von Meeresschnecken. Hört man das Meer rauschen, wenn man am Strand in sie hineinhorcht? Zum Teil ja, aber die Schnecke rauscht auch fernab vom Meer. Dort hört man, so heißt es, das Rauschen des eigenen Bluts. Das ist mit Sicherheit falsch, in einem schalltoten Raum rauscht auch eine Muschel nicht, pardon: Meeresschnecke nicht.

Wir dehnen unsere Forschung auf meeresschneckenähnliche Gebilde aus, wie zum Beispiel meinen Kaffeebecher. Der rauscht auch. Das tun sogar unsere Hände, wenn wir sie zu einer Art Schale formen und vor das Ohr halten. Nur absolut ruhig darf es um uns herum nicht sein, ein kleiner Geräuschpegel ist nötig. Wir schließen daraus: Die Meeresschnecke und ihre Artverwandten rauschen, indem sie das Geräusch ihrer Umgebung irgendwie verstärken. Das ist in der Tat richtig. Die Schnecke entzieht dem gleichförmigen Geräusch der Umgebung einen Teil der Schallenergie und bündelt diese in der Nähe von Frequenzen, für die unser Ohr sehr empfindlich ist. Mit anderen Worten: Rauschenergie wird in das Frequenzfenster unseres Ohres verschoben und erhöht dort das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Lautstärkeschwankungen. Das erklärt das Rauschen am Meeresstrand: Brandung und  Wind liefern die Geräuschkulisse, die Schnecke filtert für das Ohr passende Frequenzen heraus. Im schalltoten Raum fehlt die Geräuschkulisse.

Damit stellt sich die Frage, welche Frequenzen denn eine Schnecke aus dem Rauschen herausfiltert. Hierzu ein Experiment: Wir schließen einen Lautsprecher an einen Tongenerator an, der reine Sinus-Töne erzeugt. Die Schnecke halten wir in einiger Entfernung vom Lautsprecher an das Ohr und drehen die Lautstärke des Generators so weit herunter, dass der Ton mit dem freien Ohr gerade noch hörbar ist. Dann verändern wir die Frequenz des Tons. Bei bestimmten Frequenzen hören wir ihn nicht nur aus dem Lautsprecher, sondern auch aus dem Schneckengehäuse in unser Ohr dringen. Das sind die Frequenzen, die die Schecke aus dem Rauschen der Umgebung herausfiltern würde. Die weiße Schnecke in der Mitte des Bildes zum Beispiel fischt sich die Frequenzen 620 Hz, 1240 Hz und 1980 Hz heraus, die rote Schnecke (rechts in Bild) die Frequenzen 890 Hz, 1750 Hz und 2640 Hz. Leider kann ich diese Frequenzen nur auf etwa  ± 40 Hz genau bestimmen – mein Ohr ist nicht empfindlich genug, um zu entscheiden, wann der Ton aus dem Schneckengehäuse am lautesten ist. Ich bin auch nicht sicher, ob ich alle Frequenzen gefunden habe. Also muss ein besseres, aufwändigeres Experiment her. Darüber wird hier berichtet.

Die Meeresschnecke lässt sich in grober Näherung als ein konisches Horn auffassen. Das konische Horn ist ein Standardmodell der Akustik. Mehr darüber hier.