Versuch: Kohlepulver

Stromkreis über Kohlepulverwiderstand

• Der Stromkreis ist so dimensioniert, dass zunächst das Lämpchen nicht leuchtet.

• Übt man nun eine Kraft auf die Kohleschicht aus, so bekommen die Kohlekörner einen intensiveren Kontakt.

• Dadurch verändert sich der elektrische Widerstand der Kohlestückchen und das Lämpchen leuchtet.

Druckabhängiger Widerstand nach Versuchsbeschreibung

• Das Prinzip des Kohlemikrofons ist ein druckabhängiger Übergangswiderstand, der mit Hilfe von Kohlepulver erreicht wird.

Kohlepulver

Oben offene Pappschachtel (evt. mit Alufolie am Boden ausgelegt)

Metallbleche, (in unser Versuch: ohne Metallbleche)

Lampe

Kohlemikrofon• Die Erfindung des

Kohlekörner-Mikrophons durch David Hughes (1878)

• Die damit verbundene Steigerung der Übertragungsqualität ermöglichte am 1. April 1881 die Eröffnung des ersten öffentlichen Fernsprechamtes in Berlin.

Kohlekörner-Mikrophon

• Beim realen Kohlekörner-Mikrophon versetzten Schallwellen eine Metallmembran in Schwingung.

• -> Kohlekörner im Mikrophon werden zusammengedrückt.

• -> Größere Anzahl von Kontaktstellen zwischen den Kohlekörnern

• -> dadurch: Änderung des elektrischen Widerstandes im Rhythmus des Sprechens

• Bis vor Kurzem waren Kohlekörner-Mikrophone in Telefonhörern eingebaut.

• Nachteile: voluminös, schlechte Übertragungsqualität.

1819: Oersted entdeckt Magnetfeld bei stromdurchflossenen Leiter

•http://schulen.eduhi.at/riedgym/physik/11/elektromagnetis/oersted/oersted_1.htm#oersted

Stromdurchflossener Leiter• Ein Strom I, der durch einen

geradlinigen Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld B,

• dessen Feldlinien kreisförmig um den Leiter herum verlaufen.

• Man kann sich dies mit der Rechte-Faust-Regel merken: der Daumen zeigt in Richtung von I (technische Stromrichtung), die übrigen Finger deuten ringförmige Magnetfeldlinien an.

B ist ein Wirbelfeld

Magnetfeld von stromdurchflossener Spule

Nordpol Südpol

Elektromagnet

• Entferne zunächst die Isolierung an den beiden Enden des Kupferdrahts.

• Wickle den Kupferdraht wie gezeichnet möglichst oft um den Nagel.

• Befestige an den beiden abisolierten Drahtenden zwei blanke Büroklammern für den Anschluss an die Batterie.

Problem: Nagel schon vorher magnetisch? Dann muss er über Curie-Temperatur erhitzt werden, damit der Versuch funktioniert.

Versuch: Stromdurchflossener Leiter

• Allgemein: Fließt durch einen Leiter ein Strom (bewegte Ladung), wird um den Leiter ein Magnetfeld aufgebaut. Die Richtung des Magnetfeldes ist von der Richtung des Stromflusses abhängig.

• Allgemein: Magnetfelder entstehen durch bewegte Ladung.

Ablenkung von Elektronen - Lorenzkraft

• Versuchsergebnis: Elektron erfahren im Magnetfeld eine Kraft, die sie ablenkt.

• Diese Kraft wird Lorenzkraft genannt.

• Grund für die Lorenzkraft: Überlagerung beider Magnetfelder

Dreifingerregel und Lorenzkraft

• (B-Finger zeigt nach Süden. Bei Elektronen linke Hand verwenden.)

• Lorenzkraft steht senkrecht auf Bewegungsrichtung der Elektronen.

• Lorenzkraft: FL=B*v*sinα

• (B: Magnetf.; v: Geschw. der Ladungen, α: Von B und Geschwindigkeitsrichtung eingeschlossene Winkel.)

• -> FL ist maximal, wenn B senkrecht zu v.

α

Lorenzkraft• Versuchsergebnis: Ein

stromdurchflossener Leiter, (der nicht parallel zu den Magnetlinien eines Magnetfeldes steht), erfährt in diesem Magnetfeld eine Kraft, die ihn ablenkt.

• Diese Kraft ist wie beim Elektronenstrahl die sogenannte Lorenzkraft.

Zusammenfassung: Lorenzkraft

• Bewegte Ladungen haben ein Magnetfeld.

• Bewegte Ladungen erfahren in einem äußeren Magnetfeld eine Kraft - die Lorenzkraft. Befinden sich die Ladungen in einem Leiter, erfährt der Leiter diese Kraft.

Induktionsstrom• 1. Leiter bewegt sich in

Magnetfeld von Dauermagneten

• 2. Magnet bewegt sich in der Nähe von Leiter

• Versuchsergebnisse: In beiden Versuchen wird eine Strom und eine Spannung induziert – der Induktionsstrom und die Induktionsspannung.

Elektromagnetische Induktion

• Grund für Induktionsstrom und -spannung:

• Auf Ladungen im Leiter wirkt die Lorenzkraft. Warum!

• -> Ladungen beginnen im Leiter aufgrund der Lorenzkraft zu fließen.

• -> Es entsteht ein Induktionsstrom und eine entsprechende Induktionsspannung.

Lenzsche Regel

• Lenzsche Regel: Der Induktionsstrom bzw. die Induktionsspannung sind immer so gerichtet, dass sie der Ursache des Induktionsvorganges entgegen wirken.

• Versuche hierzu: siehe Schulbücher

Dynamische Mikrofone

1. Tauchspulen- 2. Bändchen-Mikrofon Mikrofon

Tauchspulenmikrophon

• An Membran ist sehr kleine, leichte Spule befestigt.

• Schallenergie bewegt Membran und Spule.

Tauchspulenmikrofon

• Vorteile: Robust, preiswert, verträgt hohe Schalldrücke, keine externe Spannungsversorgung nötig, durch langen Draht der Spule, ist hohe Ausgangsspannung möglich (= kein Verstärker nötig)

• Nachteile: Hohe Masse der Membran führt zu erhöhter Trägheit und so zu ungünstigerem Ansprechverhalten, Klang nicht sehr präzise, hohe Frequenzen werden nur begrenzt gut übertragen – Warum!

• Einsatz: Aufnahme von Musik und Sprache im Studio, bei Reportern, Heimstudioanwendungen (Homerecording), Bühnenbetrieb

Bändchenmikrofon

• Membran des Mikros: ein elektrisch leitendes Bändchen (zumeist Aluminium).

• Membran: wenige Millimeter breit, ca. 1,5 cm lang

• Bändchen zwischen Polen von Dauermagneten gespannt

• Schallenergie versetzt Bändchen in Bewegung.

• Auslenkung um wenige µm

• Durch Bewegung des Leiters (Bändchen) im Magnetfeld wird in ihm Spannung induziert, die im Rhythmus der Bewegungsänderung die Richtung wechselt. Wechselspannung wird mit Drähten abgegriffen.

Bändchenmikrofon• Vorteile: • Wegen leichter Membran hervorragendes Impulsverhalten

-> übertragen hoher Frequenzen sehr gut. • Membran schwingt kaum nach. • Keine externe Spannungsversorgung nötig. • Nachteile:• Membran des Bändchenmikrofons ist sehr kurz. Daher:

Wechselspannung sehr klein und muss aufwändig hochtransformiert werden.

• Bei hohen Schalldrücken reißt Bändchen • Einsatz: • Früher weit verbreitet, heute selten (nicht robust)

Bädchenmikrophone

Kondensatoren

• Plattenkondensator kann bei einer angelegten Spannung Ladungen speichern. Er kann um so mehr Ladungen speichern,

• - je größer die Platten des Kondensators sind, • - je kleiner der Abstand zwischen den Platten ist

und • - je größer die Spannung der angelegten

Spannungsquelle ist.• - Kapazität: C = Q/U, C = ε(A/d)

Vereinfachter Aufbau. Kondensatormikrophon

Kondensatormikrophon

Bewegliche Platte

Kondensatormikrophone

• Der Kondensator wird mit gleichbleibender Vorspannung, der Phantomspeisung, geladen.

• Eine Platte des K. ist eine bewegliche Membran; sie besteht aus metallbedampften Folie oder Metallfolie.

• Schallwellen lenken bewegliche Membran aus.

• -> Der Abstand zwischen den Elektroden des Plattenkondensators ändert sich

• -> Es fließen Ladungen von oder auf den Kondensator. Der Ladungsfluss wird durch spezielle Schaltungen in nutzbare Wechselspannung umgewandelt.

Beispiele: Kondensatormikrophone

Kondensatormikrophone

• Vorteile:• Gute Qualität• Nachteile:• Mechanisch lang nicht so robust wie dynamische Mikros • Externe Phantomspannung nötig• Einsatz:• Häufig verwendet• Kondensatormikrophone werden in Studios häufig für

kritische Aufnahmen wie Gesang oder Streicher bzw. im Nahbereich von Instrumenten eingesetzt.

ElektretmikrofonElektrete: dauerhaft elektrisch geladene Stoffe

• Elektretmikrofone sind besondere Kondensatormikrofone.

• Sie arbeiten nach dem Prinzip des Plattenkondensators.

• Aber: Die Gegenelektrode des Kondensators (nicht die schwingende Membranplatte) besteht aus Kunststoff.

• Auf diesem sind elektrische Ladungen „eingefroren“.

• Daher wird keine Phantomspannung zum Laden des Kondensators benötigt.

• Dennoch Spannungsversorgung nötig: Die nachfolgende Verstärkerschaltung benötigt eine kleine Spannung, die aus einer Batterie bezogen werden kann.

Einsatz von Elektretmikrophonen

Elektretmikrofone• 1962 erfunden von Gerhard Sessler und James E.

West. • 90% Marktanteil, weltweit am häufigsten

hergestellten Mikrofone. • Einsatzgebiet: u. a. Mobiltelefone,

Kasettenrekorder, Kopfhörer …• Größe der Mikrofonkapsel: ein Millimeter bis ein

Zentimeter. • Frequenzgang bei guten Elektretmikrofonen: 20

Hz bis 20 kHz • Wesentlicher Vorteil zu Kondensatormikrofon:

keine Hochspannung als Vorspannung nötig.

Piezzoelektrischer Effekt

• Einige Kristalle (zum Beispiel Quarz) und spezielle Keramiken sind piezoelektrisch.

• Das heißt, sie reagieren auf eine mechanische Verformung (Druck, Zug, Torsion) mit einer Verschiebung von Ladungen und können so eine Spannung abgeben.

• Umgekehrt verformen sich diese Materialien wenn an sie eine elektrische Spannung angelegt wird.

• http://de.wikipedia.org/wiki/Piezomikrofon

Piezzo-Effekt• Durch die gerichtete Verformung einer

Materialprobe bilden sich mikroskopische Dipole innerhalb der Elementarzelle (Verschiebung der Ladungs-Schwerpunkte).

• Die Aufsummierung über alle Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung.

• Gerichtete Verformung bedeutet, dass der angelegte Druck nicht von allen Seiten auf die Probe wirkt.

• Der Piezo-Effekt kann nur in nicht-leitdenden Materialien auftreten.

Piezo-Tonabnehmer

• Zur Verstärkung von Klängen akustischer Instrumente:

• Um Bewegungsfreiheit der Musiker nicht einzuschränken: Tonabnehmer direkt am Instrument

• Durch die Schwingungen des Instrumentenkorpus wird der Tonabnehmer verformt und gibt eine Spannung ab. Diese elektrische Schwingung wird verstärkt und weiterverarbeitet.

Piezomikrofon • Vorteile: • Sehr einfache Mikrofone möglich, preiswert • Nachteile: • Keine besonders guten

Übertragungseigenschaften. • Einsatz:• Höhepunkt in den 30er bis 50er Jahren des

letzten Jahrhunderts. Auch unter dem Namen "Kristall-Mikrofone" bekannt.

Heute nur noch selten im Einsatz.

Lautsprecher• in Lautsprecher ist ein Gerät, das elektrische

Impulse in Schallimpulse umwandelt. • Verschiedene Lautsprecherarten:• Elektrodynamischer Lautsprecher• Magnetostatischer Lautsprecher• Elektrostatischer Lautsprecher• Ferroelektrischer Lautsprecher• Elektromagnetischer Lautsprecher• …

Dynamischer Lautsprecher

• Spule ist an starrer Membran befestigt.• Bei Stromdurchfluss entsteht Magnetfeld der Spule, das

sich mit Strom ändert. • In Folge bewegt sich Spule mit Membran im Magnetfeld

des Dauermagneten -> wahrnehmbaren Luftschall

Nordpol

Süddpol

Beispiel

• Lautsprecher aus Kopfhörer

Vom Mikro zum Lautsprecher

• Widerstandsänderungen der Kohlekörner bewirkt Stromänderung. • Dieser "Wechselstrom" durchfließt leichte Spule im Lautsprecher. • Hinter der Spule im L. befindet sich ein Permanentmagnet, der die

Spule anzieht bzw. abstößt. • Mit der schwingenden Spule ist eine Kunststoffmembran verbunden,

die Luftdruckschwankungen hervorruft, welche unsere Ohr wahrnimmt.

Telefon mit Lautsprecher und Mikrofon

Telefonelemente ...