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Telekosmos-Praktikum

Teil 1
• Title
• Heinz Richter
• Inhaltsverzeichnis
• Wichtige Hinweise
• Auswahl von Geräten
• Einleitung
A. Wir richten unser Experimentierlabor ein
B. Elektrotechnik, in Versuchen erlebt
C. Mit Halbleiterdioden auf du und du
D. Mit dem Transistor ist alles zu machen
Schlusswort
Anhang
I. Anwelsung zum Aufbau
II. Anleitung zum Prüfen und Reparieren von Einzelteilen
• Versuchsverzeichnis
• Stichwortverzeichnis
• Accessories
• Norm-Schaltzeichen nach DIN

III. Elektrische und magnetische Felder - unsichtbare Geister

1. Kraftlinien gibt es eigentlich gar nicht

Den Begriff des Magnetfeldes brauchten wir bereits bei der Erläuterung der Spule und des Transformators. Das Magnetfeld müssen wir uns als einen besonderen physikalischen Zustand vorstellen, der in der Umgebung eines stromdurchflossenen Leiters auftritt. Um mit Magnetfeldern rechnen zu können, hat man sich die Vorstellung der Kraftlinie oder Feldlinie geschaffen. 1e mehr solcher Feldlinien vorhanden sind, um so stärker ist das Magnetfeld. Es ist um so stearker, je mehr Windungen eine Spule hat und je größer der hindurchfliessende Strom ist. Die Stärke eines Magnetfeldes, die Feldstärke H, hängt deshalb in erster Unie von dem Produkt aus Strom und Windungszahl, der sogenannten AW-Zahl ("Durchflutung"), ab. Die Feldstärke erzeugt die Kraftlinien. Ais Felddichte bezeichnet man die Zahl der in jedem Quadratzentimeter vom Feld durchsetzten Flache vorhandenen Kraftlinien. Ais MaBeinheit dient das "Gauss" mit der größeren Einheit Kilogauss. Die Felddichte wird auch Induktion (B) genannt, was aber nicht unmittelbar mit dem schon besprochenen Induktionsgesetz zu tun hat.

2. Magnetismus - Elektromagnetismus

Lassen wir ein auf elektrischem Wege erzeugtes Magnetfeld auf ein Stück Eisen oder Stahl wirken, so wird dieses "magnetisch". Nach dem Fortfall des Magnetfeldes verliert das Weicheisen den Magnetismus fast gaenzlich, während der Stahl magnetisch bleibt. Der verbleibende Restmagnetismus (Br) heisst Remanenz. Er kann beseitigt werden, indem man das Stahlstück in ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld bestimmter Stärke bringt; dessen Feldstärke heisst Koerzitivkraft (Hr). Setzt man das Eisen- oder Stahlstück einem magnetischen Wechselfeld aus, wie es durch einen Wechselstrom in einer Spule erzeugt wird, so erfaehrt das Eisenstück eine laufende Ummagnetisierung. Dabei wechseln dann die Felddichtewerte ständig zwischen einem Hoechst- und einem Tiefstwert. Die Kurve, durch die man diesen Vorgang beschreiben kann, heisst Hysteresekurve. Der Inhalt der von der Kurve umschriebenen Flaeche entspricht den im Eisen auftretenden "Hystereseverlusten" (es gibt auch noch andere Verlustarten). Zu jeder Eisen- und Stahlsorte gehört eine bestimmte Form der Hysteresekurve. Der einfache Zusammenhang zwischen Feldstarke und Felddichte wird Magnetislerungskurve genannt; diese Kurve ist meistens nicht geradlinig, sondern verläuft gekruemmt. Je steiler sie ist, um so größer ist die von einer bestimmten Feldstärke hervorgerufene Felddichte. Solch ein Stoff hat eine große "Permeabilität" µ. Hierunter versteht man die "magnetische Durchläßigkeit" eines magnetischen Stoffes. Stoffe mit großer Permeabilität ergeben also auch große Felddichten. Es ist stets B = 1,26 · µ · H. Da µ nicht immer konstant ist, verläuft die Kurve B = f (H) oft gekruemmt.

3. Der gute alte Dauermagnet

Magnetfelder können nicht nur durch Elektromagnete (stromdurchflossene Spulen), sondern auch durch "Dauermagnete" hergestellt werden, die man erhält, wenn man ein Stück Stahl magnetisch macht. Es gibt auch natuerliche Dauermagnete, z. B. den in der Natur vorkommenden Magneteisenstein. Meistens verwendet man jedoch kuenstlich magnetisch gemachte Spezialstoffe, zu denen außer hochwertigem Stahl auch spezielle Legierungen, z. B. das Ticonal, gehören. Ferner gibt es bestimmte keramische Stoffe, die stark magnetisch sein können, z. B. das Ferroxdure. Die Abstände, die von den Kraftlinien überbrückt werden, sind gewoehnlich recht klein. Der in unserem Labor befindliche Kopfhörer enthält, wie wir schon sahen, einen Dauermagneten. Seine Wirkung spueren wir daran, daß er die Membran festzuhalten versucht, wenn wir sie nach Abschrauben des Deckels abnehmen wollen. Auch die Wirkung eines Elektromagneten können wir zeigen, indem wir die Klemmen bl - rt des im Schaltpult eingebauten Transformators mit einer der Trockenbatterien verbinden. Stellen wir in die Naehe des Transformators unser Galvanometer, so wird es beim Einschalten des Stromes einen Ausschlag liefern. Die Wicklung des Galvanometers braucht dabei nirgends angeschlossen zu sein. Die Nadel schlaegt am besten aus, wenn sie vor dem Einschalten quer zum Transformator steht.

4. Wie ein Galvanometer arbeitet

Unser Galvanometer haben wir schon häufig bei den frueheren Versuchen verwendet. Es handelt sich dabei prinzipiell um einen Kompass, wie er wohl jedem Leser bekannt ist. Die Nadel des Kompasses reagiert auf Magnetfelder, u. a. auf das Magnetfeld der Erde, so daß man sich nach einem Kompass geographisch orientieren kann. Bei unserem Galvanometer sind um das Kompassgehäuse zahlreiche Windungen eines duennen Kupferdrahtes gelegt. Fliesst Strom durch sie hindurch, so kommt ein Magnetfeld zustande, das ebenso wie das Erdmagnetfeld die Nadel ablenkt. Diese Ablenkung ist (bei kleinen Ausschlagen) um so größer, je stärker der Strom ist; infolgedessen kann man den Ausschlag als Mass für die Größe des Stromes verwenden und erhält so einen zwar primitiven, für unsere Zwecke jedoch ausreichenden Strom messer, das Galvanometer. Der Ausschlag ergibt sich aus dem Zusammenwirken von Erdfeld und Spulenfeld. Strommesser höherer Genauigkeit arbeiten meistens nach etwas anderen Prinzipien; oft spielen dabei aber Magnetfelder ebenfalls eine große Rolle.

Für den Winkelausschlag α des Nadelgalvanometers gilt tan α = k · N · I (k = konstanter Wert, N = Windungszahl, I = Strom). Der Wert k enthält u. a. die geometrischen Daten des Galvanometers.

5. Kinder unserer Zeit: Kopfhörer, Lautsprecher und Mikrophone

Eine weitere wichtige Anwendung des Magnetismus ist der Kopfhörer. Wir haben ihn schon einmal aufgeschraubt und wollen nur noch ergaenzend dazu bemerken, daß der Magnetkern ein Dauermagnet ist. Dessen Feld wird nun das Wechselfeld, das durch die Spulen zustande kommt, überlagert, so daß die vor den Magnetpolen angeordnete Menibran im Rhythmus der Feldschwankungen zu schwingen beginnt. Sie strahlt dann Schall aus, den wir hören können. Aehnlich arbeiten auch aeltere Lautsprecher, obwohl deren Prinzipien mitunter schon stark vom Prinzip des Kopfhörers abweichen. Unser Lautsprecher arbeitet nach einem anderen, dem dynamischen Prinzip: eine ringfoermige Spule ("Sprechspule") befindet sich im Luftspalt eines starken Magneten. Diese Spule erfaehrt eine dem Strom proportionale Ablenkung und bewegt dabei die an ihr befestigte Membran, die den Schall abstrahlt. Es gibt noch andere Kopfhörer-Prinzipien.

Sowohl Kopfhörer als auch Lautsprecher können nicht nur als Schallerzeuger, sondern auch als Schallaufnehmer, als "Mikrophone", wirken. Spricht man gegen die Membran, so entsteht an den Anschlüssen eine entsprechende Niederfrequenzspannung. Davon machen wir oefter in unseren Versuchen Gebrauch.

6. Elektrische Felder - wir kennen sie schon

Das Gegenstück zum magnetischen Feld ist das elektrische Feld. Es ist nicht an das Zustandekommen eines Stromes gebunden, sondern wird durch die Spannung allein, z. B. zwischen den Platten eines Kondensators, erzeugt. Auch hier nimmt man als Vorstellungshilfe Krattlinien an, in unserem Fall elektrische Krattlinien, die stets auf den Kondensatorplatten senkrecht stehen und zwischen zwei spannungsführenden Punkten verlaufen. Zwischen den Platten eines geladenen Kondensators bildet sich also ein elektrisches Feld aus. Legen wir an den Kondensator eine Wechselspannung, so ergibt sich ein elektrisches Wechselfeld, das stets zwischen positiven und negativen Hoechstwerten schwankt. Elektrische Felder begegnen uns in der Praxis der radiotechnischen und elektronischen Geräte nicht so haufig wie magnetische Felder; wir finden sie fast nur in den zahlreichen Kondensatoren, wo sie natuerlich eine wichtige Rolle spielen.

7. Eine exklusive Mischung: Elektromagnetische Felder

Wenn man durch geeignete Massnahmen ein magnetisches Feld mit einem elektrischen Feld kombiniert, so bekommt man das elektromagnetische Feld. In der Radiotechnik hat es eine ganz überragende Bedeutung, denn es ermöglicht die Ausbreitung elektrischer Energie mit Lichtgeschwindigkeit über weite und weiteste Strecken. Elektromagnetische Felder entstehen bereits in Spulen und Kondensatoren, jedoch in so kleinem Ausmass, daß sie praktisch keine Fernwirkung haben.Wenn man jedoch beispielsweise die Platten eines Kondensators weit voneinander entfernt und gleichzeitig Sputen sehr großer Abmessungen wählt, entsteht ein "elektromagnetisches Feld". Ist dessen Frequenz genügend gross, so wird es in den freien Raum abgestrahlt. Dieses elektromagnetische Feld nun ist der Träger für drahtlos zu übermittelnde Nachrichten oder Signale anderer Art. Man kann naemlich den Träger, d. h. das elektromagnetische Feld, mit der betreffenden Nachricht beeinflussen oder "modulieren", indem man die zu der Nachricht gehörenden Schwankungen dem Träger mitteilt. Diese Schwankungen können dann an weit entfernten Orten empfangen und wieder in die eigentliche Nachricht zurückversetzt werden. Wir kommen darauf bei den Senderversuchen noch zu sprechen. Hier wollen wir uns nur die Tatsache merken, daß das elektromagnetische Feld mit Lichtgeschwindigkeit (300000 km/s) abgestrahlt werden kann.
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Wer sich gruendlich über den hier behandelten Stoff informieren moechte, sei auf die "Neue Schule der Radiotechnik und Elektronik" vom gleichen Verfasser verwiesen.

3 Richter, Praktikum 1