Aufgabe 1 · Abitur NRW Physik LK · Metalldetektoren 2026

Metalldetektoren

Metalldetektoren dienen dem Aufspüren und Identifizieren verborgener Metalle. Amateur-Schatzsucher nutzen diese Geräte, um damit verborgene Gegenstände im Erdreich zu finden.

Material 1: Funktionsweise eines Puls-Induktions-Metalldetektors (PI-Detektor)

Die grundlegende Funktionsweise eines Metalldetektors basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Das Herzstück eines PI-Detektors ist eine (kreisförmige) Spule, die mehrmals pro Sekunde von starken Strompulsen durchflossen wird. Durch diesen zeitlich veränderlichen Strom entsteht um die Spule ein veränderliches Magnetfeld (Primärfeld).

Wenn sich ein metallisches Objekt in diesem Magnetfeld befindet, bewegen sich die im Metall befindlichen Elektronen. Durch den im metallischen Objekt fließenden Strom wird auch dieses von einem Magnetfeld (Sekundärfeld) umgeben.

Nach einem Puls wechselt die Spule vom Sendemodus in den Empfangsmodus. In ihr wird nun durch das veränderliche Sekundärfeld eine Spannung induziert, die elektronisch verstärkt und ausgewertet wird.

1 Die Funktionsweise eines Puls-Induktions-Metalldetektors ist in Material 1 beschrieben.

a)

Zeichnen Sie den Feldlinienverlauf des Magnetfeldes der kreisförmigen Spule unter Angabe der Fließrichtung der Elektronen in einer geeigneten Darstellung. [4 BE]

b)

Begründen Sie die Veränderung des Feldlinienbildes aus 1a bei Vorliegen einer höheren Stromstärke in der Spule. [3 BE]

Material 2: Ein- und Ausschaltvorgang der Spule

Die Strompulse, welche bei PI-Detektoren durch die Spule fließen, sind in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Zum Zeitpunkt $0\text{ }\mu\text{s}$ wird eine konstante Spannung an die Spule angelegt. Nach $410\text{ }\mu\text{s}$ wird die Spule nicht mehr durch eine Spannung versorgt und somit ausgeschaltet. Die Induktivität der Spule beträgt $L = 11{,}4\text{ mH}$.

c)

Erklären Sie qualitativ den zeitlichen Verlauf der Stromstärke nach Ausschalten der Spule (M 2). [5 BE]

d)

Ermitteln Sie durch grafische Bestimmung der Änderungsraten der Stromstärke von Abbildung 2 in Material 2 die Werte der Induktionsspannungen in der Spule unmittelbar nach Beginn des Ein- und Ausschaltvorgangs. [8 BE]