Versuch: Kohlepulver

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Versuch Kohlepulver
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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.

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Druckabhängiger Widerstand nach
Versuchsbeschreibung

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

Metallbleche, (in unser Versuch ohne
Metallbleche)
Lampe
Oben offene Pappschachtel (evt. mit Alufolie am
Boden ausgelegt)
Kohlepulver
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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.

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Kohlekörner-Mikrophon

• Beim realen Kohlekörner-Mikrophon versetzten
  Schallwellen eine Metallmembran in Schwingung.
• -gt Kohlekörner im Mikrophon werden
  zusammengedrückt.
• -gt Größere Anzahl von Kontaktstellen zwischen den
  Kohlekörnern
• -gt dadurch Änderung des elektrischen
  Widerstandes im Rhythmus des Sprechens
• Bis vor Kurzem waren Kohlekörner-Mikrophone in
  Telefonhörern eingebaut.
• Nachteile voluminös, schlechte
  Übertragungsqualität.

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1819 Oersted entdeckt Magnetfeld bei
stromdurchflossenen Leiter

• http//schulen.eduhi.at/riedgym/physik/11/elektrom
  agnetis/oersted/oersted_1.htmoersted

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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
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Magnetfeld von stromdurchflossener Spule
Nordpol
Südpol
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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.
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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.

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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

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Dreifingerregel und Lorenzkraft

• (B-Finger zeigt nach Süden. Bei Elektronen linke
  Hand verwenden.)
• Lorenzkraft steht senkrecht auf Bewegungsrichtung
  der Elektronen.
• Lorenzkraft FLBvsina
• (B Magnetf. v Geschw. der Ladungen, a Von B
  und Geschwindigkeitsrichtung eingeschlossene
  Winkel.)
• -gt FL ist maximal, wenn B senkrecht zu v.

a
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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.

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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.

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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.

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Elektromagnetische Induktion

• Grund für Induktionsstrom und -spannung
• Auf Ladungen im Leiter wirkt die Lorenzkraft.
  Warum!
• -gt Ladungen beginnen im Leiter aufgrund der
  Lorenzkraft zu fließen.
• -gt Es entsteht ein Induktionsstrom und eine
  entsprechende Induktionsspannung.

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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

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Dynamische Mikrofone

1. Tauchspulen- 2.
   Bändchen-Mikrofon
   Mikrofon

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Tauchspulenmikrophon

• An Membran ist sehr kleine, leichte Spule
  befestigt.
• Schallenergie bewegt Membran und Spule.

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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

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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.

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Bändchenmikrofon

• Vorteile
• Wegen leichter Membran hervorragendes
  Impulsverhalten -gt 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)

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Bädchenmikrophone
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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 e(A/d)

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Vereinfachter Aufbau. Kondensatormikrophon
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Kondensatormikrophon
Bewegliche Platte
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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.
• -gt Der Abstand zwischen den Elektroden des
  Plattenkondensators ändert sich
• -gt Es fließen Ladungen von oder auf den
  Kondensator. Der Ladungsfluss wird durch
  spezielle Schaltungen in nutzbare Wechselspannung
  umgewandelt.

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Beispiele Kondensatormikrophone
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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.

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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.

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Einsatz von Elektretmikrophonen
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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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Lautsprecher

• in Lautsprecher ist ein Gerät, das elektrische
  Impulse in Schallimpulse umwandelt.
• Verschiedene Lautsprecherarten
• Elektrodynamischer Lautsprecher
• Magnetostatischer Lautsprecher
• Elektrostatischer Lautsprecher
• Ferroelektrischer Lautsprecher
• Elektromagnetischer Lautsprecher

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Dynamischer Lautsprecher
Süddpol
Nordpol

• 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 -gt wahrnehmbaren
  Luftschall

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Beispiel

• Lautsprecher aus Kopfhörer

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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.

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Telefon mit Lautsprecher und Mikrofon
Telefonelemente ...