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Versuch: Kohlepulver

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.

nitesh
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Versuch: Kohlepulver

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Presentation Transcript

  1. Versuch: Kohlepulver

  2. 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.

  3. 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

  4. 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.

  5. 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.

  6. 1819: Oersted entdeckt Magnetfeld bei stromdurchflossenen Leiter • http://schulen.eduhi.at/riedgym/physik/11/elektromagnetis/oersted/oersted_1.htm#oersted

  7. 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

  8. Magnetfeld von stromdurchflossener Spule Nordpol Südpol

  9. 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.

  10. 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.

  11. 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

  12. 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

  13. 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.

  14. 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.

  15. 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.

  16. 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.

  17. 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

  18. Dynamische Mikrofone • Tauchspulen- 2. Bändchen-Mikrofon Mikrofon

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

  20. 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

  21. 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.

  22. 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)

  23. Bädchenmikrophone

  24. 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)

  25. Vereinfachter Aufbau. Kondensatormikrophon

  26. Kondensatormikrophon Bewegliche Platte

  27. 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.

  28. Beispiele: Kondensatormikrophone

  29. 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.

  30. 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.

  31. Einsatz von Elektretmikrophonen

  32. 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.

  33. 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

  34. 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.

  35. 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.

  36. 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.

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

  38. 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 Süddpol Nordpol

  39. Beispiel • Lautsprecher aus Kopfhörer

  40. 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.

  41. Telefon mit Lautsprecher und Mikrofon Telefonelemente ...

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