Aufgabe A — Der dynamische Lautsprecher
In dynamischen Lautsprechern führt die Kraft zwischen einer stromdurchflossenen Schwingspule und einem Dauermagneten zu einer Bewegung der mit der Schwingspule fest verbundenen Lautsprechermembran.
Material 1 zeigt den schematischen Aufbau eines dynamischen Lautsprechers.
In der stromdurchflossenen Schwingspule des Lautsprechers baut sich ein Magnetfeld auf.
Skizziere in Abbildung 1b des Materials 1 das Feldlinienbild des Magnetfeldes der stromdurchflossenen Spule in der Zeichenebene.
Kennzeichne in diesem Feld den Nordpol der Spule.
Gib die Richtung der Kraft auf diese Spule im Magnetfeld des Dauermagneten an.
Begründe qualitativ, dass sowohl der Betrag der Stromstärke als auch die Richtung des Stroms einen Einfluss auf die Kraft haben, die auf die Spule im Magnetfeld wirkt.
Für größere Lautstärken soll die Wirkung dieser Kraft vergrößert werden.
Beschreibe zwei mögliche bauliche Veränderungen an der Spule, die bei gleicher Stromstärke jeweils zu einer größeren magnetischen Flussdichte in Punkt P (Material 1, Abbildung 1b) führen würden.
Fachpraktischer Teil
Vereinfachend wird zur Untersuchung der Kraft zwischen Magnet und Schwingspule der in Material 2 dargestellte Versuchsaufbau verwendet.
Baue die Versuchsanordnung gemäß Abbildung 2 des Materials 2 auf.
Ermittle die Gewichtskraft 
des Stabmagneten und die wirkende Kraft 
für insgesamt fünf verschiedene Stromstärken 
Begründe mithilfe aller geeigneter Messwerte den Zusammenhang 
zwischen dem Betrag der betrachteten Kraft und der Stromstärke, wobei 
eine Proportionalitätskonstante ist.
Formuliere eine Hypothese zur Änderung dieses Zusammenhangs, wenn bei sonst gleichem Vorgehen die Polarität der Spannungsquelle umgekehrt wird.
In dynamischen Lautsprechern werden statt der konventionellen Ferritmagnete zunehmend Magnete aus Neodym zum Einsatz gebracht (siehe Material 3).
Begründe, dass durch Ersetzen des Ferritmagneten durch einen Neodym-Magneten für die gleiche Kraftwirkung auf die Schwingspule eine geringere Stromstärke notwendig ist.
Bewerte anhand jeweils eines für dich bedeutsam erscheinenden inner- und außerphysikalischen Aspekts den Einsatz von Neodym-Magneten in Lautsprechern unter Verwendung von Material 3.
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Schematischer Aufbau eines dynamischen Lautsprechers
Beim dynamischen Lautsprecher kann die Membran von einer mittig angebrachten, fest mit der Membran verbundenen Schwingspule in Bewegung versetzt werden, wenn diese im Magnetfeld eines Dauermagneten schwingt. Dadurch erzeugt die Lautsprechermembran Schallwellen und gibt so Informationen in Form von Tönen ab.
Abbildung 1a: Schematischer Aufbau des Lautsprechers
Abbildung 1b: Vergrößerte Darstellung der Schwingspule. Der Punkt P liegt im Inneren der Spule.
Hinweis:
Der Dauermagnet ist fest mit dem Gehäuse verbunden.
Die Schwingspule schwingt in horizontaler Richtung.
Material 2: Aufbau und Durchführung des fachpraktischen Teils
Geräte und Materialien:
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Spannungsversorgungsgerät mit der Einstellmöglichkeit für verschiedene Gleichspannungen
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Stromstärkemessgerät
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Kabelmaterial
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Spule
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Kraftmesser
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Stabmagnet
-
Stativmaterial
Abbildung 2: Schematischer Versuchsaufbau
Hinweise zur Durchführung:
Wähle die Polarität der Spannungsquelle so, dass sich die vom Kraftmesser angezeigte Kraft beim Erhöhen der Stromstärke vergrößert.
Achte darauf, dass der Stabmagnet während jeder Messung exakt zur Hälfte in die Spule eintaucht. Nutze hierzu die Mittelpunktmarkierung des Stabmagneten und nutze die Kreuzmuffe zur Regulierung der Höhe.
Die Stromstärken sind so zu wählen, dass der Messbereich des Kraftmessers bestmöglich ausgenutzt wird. Dabei darf die maximale Stromstärke der Spule nicht überschritten werden. Die maximale Stromstärke wird dir von der aufsichtführenden Lehrkraft mitgeteilt.
Material 3: Verwendung von Neodym und Ferrit in Lautsprechern
In dynamischen Lautsprechern können sowohl Dauermagnete aus Ferrit als auch aus Neodym verwendet werden.
Neodym zählt zu den Metallen der seltenen Erden und wird vor allem für starke Magnete verwendet. Das Metall kommt zumeist nur in sehr kleinen Mengen und in natürlicher Form nur in chemischen Verbindungen vor. Der wichtigste Lieferant mit 
der Weltproduktion ist China. Das führt dort zu erheblichen Umweltproblemen. „Bei der Trennung des Neodyms vom geförderten Gestein entstehen giftige Abfallprodukte, außerdem wird radioaktives Uran und Thorium beim Abbauprozess freigesetzt. Diese Stoffe gelangen zumindest teilweise ins Grundwasser, kontaminieren so Fauna und Flora erheblich und werden für den Menschen als gesundheitsschädlich eingestuft.“ berichtet das ARD-Fernsehmagazin Panorama.
Ferrite sind magnetische Werkstoffe aus Metalloxiden, die als kostengünstige und robuste Dauermagnete verwendet werden. Die zur Herstellung von Ferritmagneten notwendigen Eisenoxide sind im Vergleich leichter verfügbar, nachhaltiger, kostengünstiger mit höherer Wiederverwertbarkeit als Metalle der seltenen Erden. Neben dem Einsatz in Lautsprechern finden Ferritmagnete auch in Kühlschrankmagneten oder als Magnete für Schultafeln Verwendung.
Im Vergleich zu einem konventionellen Magneten aus Ferrit zeichnet einen Neodym-Magneten aus, dass er bei gleichen Abmessungen deutlich höhere Flussdichten besitzt. Er eignet sich sehr gut für die Lautsprecherherstellung, da durch die Verwendung von Neodym der im Lautsprecher verbaute Magnet sowohl leichter als auch kleiner als ein Dauermagnet aus Ferrit sein kann, ohne dass dabei Abstriche im Klang hingenommen werden müssen.
Auch in kabellosen, akkubetriebenen Kopfhörern wird Neodym bereits verwendet. Durch ihre hohen Flussdichten erlauben es Neodym-Magnete, mehr Schalldruck bei gleicher elektrischer Leistung zu erzeugen. Es muss also weniger Energie aufgewendet werden, um gleiche Lautstärken zu erreichen.
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Die Kraft auf die Spule wirkt nach links.
Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule ist direkt abhängig zur jeweiligen Stromstärke 
in der Spule. Eine Erhöhung dieser Stromstärke führt dazu, dass im Punkt P ein größerer Betrag der magnetischen Flussdichte 
gemessen werden kann. Außerdem führt eine Umpolung der Stromquelle zu einer entgegengesetzten Ausrichtung des Magnetfeldes.
In einem dynamischen Lautsprecher resultiert die Kraft auf die Schwingspule durch die Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern der Schwingspule und des Dauermagneten. Da das Magnetfeld des Dauermagneten über die Zeit konstant bleibt, wirken sich Änderungen der Stromstärke in der Schwingspule unmittelbar auf den Betrag und die Wirkungsrichtung der Kraft zwischen dem Dauermagneten und der Schwingspule aus.
Um die Kraft auf die Spule zu erhöhen, muss die magnetische Flussdichte der stromdurchflossenen Spule vergrößert werden, dafür gibt es mehrere Möglichkeiten:
-
Je mehr Windungen die stromdurchflossene Spule besitzt, desto größer ist die magnetische Flussdichte
Die Länge der Spule und die Stromstärke werden dabei unverändert gelassen. -
Bleiben die Windungszahl der Spule und die Stromstärke hingegen konstant, vergrößert sich die magnetische Flussdichte
wenn die Länge der stromdurchflossenen Spule verkleinert wird.
Zunächst erfolgt der systematische Aufbau der Versuchsanordnung, gefolgt von der Erfassung und Protokollierung der notwendigen Messdaten.
Für das Messbeispiel wird eine Spule mit folgenden Parametern verwendet:
-
Windungszahl:
-
Widerstand:
-
Induktivität:
-
Maximalstromstärke:
-
Eisenkern: Querschnittsfläche von
In der Ausgangslage (ohne Stromfluss) wird eine Gewichtskraft von 
gemessen. Als Messwerte ergeben sich beispielsweise:
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Um den Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der Kraft 
zu überprüfen, wird der Quotient 
mit 
untersucht:
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Das berechnete arithmetische Mittel 
der Quotienten 
beträgt 
Da die ermittelten Quotienten innerhalb der Messungenauigkeit nahezu identisch sind, kann geschlussfolgert werden, dass die Kraft direkt proportional zur Stromstärke ist (
).
Aus den Messwerten ergibt sich somit die Funktionsgleichung:
Die Richtung des von der Spule erzeugten Magnetfeldes ist unmittelbar an die Stromrichtung gekoppelt. Wird die Spannungsquelle umgepolt, kehrt sich auch die Orientierung des magnetischen Feldes um. In der Folge wirkt die betrachtete Kraft auf den Magneten nicht mehr nach unten, sondern ist exakt entgegengesetzt (nach oben) gerichtet. Der Betrag dieser Kraft ist aber immer noch direkt proportional zur Stromstärke.
Die auf eine Spule im Magnetfeld wirkende Kraft resultiert aus der Kraft, die ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld erfährt. Diese Kraft nimmt bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen zu, wenn die magnetische Flussdichte oder die Stromstärke des Stroms durch Spule erhöht wird.
Neodym-Magnete zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei identischer Flussdichte signifikant kleiner sind als herkömmliche Ferritmagnete. Verfügen beide Magnetarten über die gleichen Abmessungen, erzeugt der Neodym-Magnet somit eine wesentlich höhere Flussdichte als Ferritmagnete. Folglich sind bei der Verwendung eines Neodym-Magneten bereits deutlich geringere Stromstärken in der Spule ausreichend, um die gleiche Kraftwirkung auf die Schwingspule zu erzielen, die ein Ferritmagnet hervorrufen würde.
Bei der Entscheidung für oder gegen die Verwendung von Neodym-Magneten, können verschiedene physikalische, ökonomische und ökologische Aspekte mit Hilfe von Material 3 herangezogen werden, die gegeneinander abgewogen werden müssen:
Aufgrund der höheren magnetischen Flussdichte bei gleichbleibender Größe des Magneten sind bereits deutlich geringere Stromstärken in der Spule ausreichend (siehe Nr. 3 a)). Somit ermöglichen Neodym-Magnete einen energiesparenderen Betrieb von dynamischen Lautsprechern. Dies begünstigt die Entwicklung kabelloser, akkubetriebener Geräte wie Kopfhörer, da so nutzerfreundliche Akkulaufzeiten realisiert werden können.
Allerdings ist die Gewinnung von Neodym sehr aufwendig, was die Erschließung von Abbaugebieten oft wirtschaftlich unrentabel oder sehr kostspielig macht, wodurch Neodym sehr teuer ist. Zudem ist die Gewinnung von Neodym mit erheblichen Risiken für Umwelt und Gesundheit verbunden, da bei dieser schädliche Materialien freigesetzt werden können, die Mensch, Flora und Fauna gefährden.
Trotz der technischen Überlegenheit von Neodym-Magneten hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit bei geringer Baugröße ist ihr Einsatz in Massenprodukten wie Lautsprechern auf Grund der Gefährdung der Umwelt bei der Gewinnung von Neodym kritisch zu bewerten. Zudem ist die Gewinnung von Neodym sehr kostspielig, was es wirtschaftlich weniger rentabel macht.
Somit ist aus Gründen des Natur- und Umweltschutzes sowie der Wirtschaftlichkeit von der Verwendung von Neodym in Massenprodukten wie dynamischen Lautsprechern eher abzusehen, auch wenn sie technologisch gesehen mehrere Vorteile bieten.
Hinweis: Es können auch andere innerphysikalische und außerphysikalische Aspekte herangezogen werden.