Lautsprecher

Der Lautsprecher (und in gleicher Weise auch das Mikrofon) ist eine relativ einfache Einrichtung, die die Lorentzkraft ausnutzt. Aus einem elektrischen Signal wird eine mechanische Bewegung gemacht, die über eine Membran die angrenzende Luft in Schwingung versetzt und damit Schallwellen aussendet. Die Membran ist zwar am Lautsprecher befestigt. Sie hat jedoch “federähnliche” Ringe (als Zickzack gezeichnet), die ihr eine gewisse Auf- und Ab-Bewegung erlauben.

Der Lautsprecher hat einen relativ starken, meist ringförmigen Permanentmagneten. In der obigen Skizze ist der zentrale Bereich der Südpol des Magneten und der äussere Ring entspricht dem magnetischen Nordpol. Im zylindrischen Zwischenraum, zwischen Nord- und Südpol, herrscht ein Magnetfeld, dessen Feldlinien radial nach innen zeigen.

In diesen Zwischenraum wird die Spule eingebracht, die fix mit der Lautsprechermembran verbunden ist (blau). In der obigen Skizze sehen wir den Schnitt durch die Spule, d.h. die übereinander liegenden Leiter auf der linken und die Leiter auf der rechten Seite. Der elektrische Strom kann in der Spule fliessen und umkreist den Südpol des Magneten. In unserem Beispiel fliesst ein Strom auf der linken Seite aus der Zeichenebene heraus (Symbol “Kreis mit Punkt“) und auf der rechten Seite fliesst der Strom in die Zeichenebene hinein (Symbol “Kreis mit Kreuz“).

Jetzt, wo wir die Richtung des Magnetfelds \(\vec{B}\) und die Richtung des Stroms \(I\), d.h. \(\vec{v}\) haben, können wir die Rechte-Hand-Regel für die Lorenzkraft anwenden. Betrachten wir das Beispiel auf der rechten Seite: Mit dem Daumen zeigen wir in Richtung der positiven Ladung, d.h. in Richtung von \(I\) in die Zeichenebene hinein. Mit dem Zeigefinger zeigen wir in Richtung des Magnetfelds \(\vec{B}\), also nach links. Die restlichen Finger geben uns die Richtung der Lorentzkraft: Sie zeigt nach oben. Etwas weniger bequem geht es für die Situation auf der linken Seite, aber auch hier kriegen die Richtung der Lorentzkraft nach oben.

Was heisst das? Wenn wir den elektrischen Strom durch die Spule schicken, wie er hier in der Skizze eingezeichnet ist, dann wirkt eine Lorentzkraft nach oben und die Membran wird nach oben bewegt. Wenn wir den Strom in die andere Richtung schicken, entsteht eine Lorentzkraft nach unten. Wir können somit, je nach Richtung des Stroms, die Lautsprechermembran hoch- und runterbewegen.

Mit einem Wechselstrom, z.B. einem sinusförmigen Strom, der einmal in die eine Richtung zeigt, dann wieder in die andere Richtung, entsteht damit eine sinusförmige Schwingung der Membran. Damit die Trägheit der Membran nicht zu stark ins Gewicht fällt, ist sie aus einem möglichst leichten Material hergestellt.

Das Mikrofon ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie der Lautsprecher. Es ist nur viel kleiner und hat eine noch leichtere Membran. Hier wird die Membran durch eintreffende Schallwellen in eine Schwingung gebracht, die die Ladungen in der Spule durch das Magnetfeld bewegen. Die resultierende Lorentzkraft ist jetzt tangential zum Kreis, d.h. entlang des Leiters. Ist das Mikrofon nicht angeschlossen, werden die Ladungen im Leiter nicht bewegt, d.h. es fliesst kein Strom. Trotzdem wirkt die Lorentzkraft und lässt damit einen “Druck” entstehen, den wir als induzierte Spannung verstehen.

Ist das Mikrofon angeschlossen, können sich die Ladungen bewegen und es entsteht ein elektrischer Strom, der der Bewegung der Membran entspricht. Das Mikrofon ist deshalb wirklich die Umkehrung des Lautsprechers, indem es eine mechanische Bewegung in ein entsprechendes elektrisches Signal übersetzt.