Wie ein Lautsprecher funktioniert . . .

März 2011 - von Gert Redlich - Der "Lautsprecher" soll die elektrisch gespeicherten Signale bzw. die elektrisch angelieferte Musik in Schallschwingungen umsetzten. Dazu benutzt man sogenannte Membranen, eigentlich das übermäßig vergrößerte Gegenstück zu der Membrane in jedem unserer Ohren.

Bei den moderen (permanent magnetisch angetriebenen) Membranen ist an einem Papptrichter (oder einer Metallkalotte) eine Schwingspule befestigt (angeklebt), durch die der im Verstärker erzeugte Strom fließt. Die Schwingspule befindet sich direkt in einem permanenten Magnetfeld und bewegt sich darum entsprechend der Stärke und der Frequenz des angelieferten Stroms. Rechts eine Alu-Hochtonkalotte mit Rundkupfer-Schwingspule und als Beispiel eine Braun Tieftonmembrane aus Pappe.

Die Membrane mit Schwingspule und einem Teil der Gummisicke (etwa der Hälfte der Sicke wird ja fast nicht bewegt) samt der Spulenanschlußdrähte des Heco TC200 Bass-Chassis (20cm) rechts im Bild wiegt etwas weniger als 39 Gramm und diese 39g müssen bewegt werden.

: Heco 200mm Bass Chassis aus der P4302 und P7302

Ein ganz wichtiges Teil ist der Magnet

Der Audio End-Verstärker ist also der eine Teil der Funktion. Der für die permanente magnetische Kraft ausschlaggebende Teil ist der Magnet hinten auf dem Chassis oder besser dessen Kraft (im ringförmigen Luftspalt) gemessen in Gauss. Schwache Magnete sind zwar billig aber ineffizient. Starke Magnete sind dagegen schwer und auch noch teuer.

Je höher die magnetische Kraft des Magneten, konzentriert auf den runden Magnetspalt, in dem sich die sogenannte Schwingspule befindet, desto sensibler reagiert der bewegliche Teil von Schwingspule und Membran auf die angelegten elektrischen Signale (die Ströme).

2010 - Gewaltige Entwicklungen in den letzten 20 Jahren

: Die "Arme" einer 18 Gigabyte Festplatte aus 1990

: eine alte Festplatte aus 1998

: eine alte alte Kupfer-Spule aus 1990

: einer der beiden Magneten auf seiner Halteplatte

: eine verbesserte sehr leichte ALU-Spule aus 2002

Im Jahr 2011 steht die Speichertechnik bei den Computern überall im Vordergrund und zwar nur noch mit (non rotating) Festspeichern. Die (alten) rotierenden Speicher (Disketten, Platten, CDs, DVDs usw.) sind fast "out". Und doch haben uns Musikliebhabern die rotierenden Speicher in Form der Festplatte eine gigantische Innovation bei den Magneten hervorgebracht.

Bei den Antrieben der kleinen dünnen Arme, an denen die Magentköpfe montiert sind, brauchte man immer stärkere und kleinere flache und dann auch noch leichte Magnete. Rechts sehen Sie den Antriebsteil des Kopfträgers in einer hochwertigen Festplatte, eine sogenannten "Voice Coil", eine singende Spule, noch aus Kupfer Flachdraht aber bereits maschinell gewickelt. Der Fachmann nennt solch ein Teil auch "Linear-Motor".

Dieses Gebilde (der Arm mit der Spule hinten dran) bewegt (dreht) sich nur wenige Millimenter mit fast nicht mehr sichtbarem Rucken von Spur zu Spur. Die Spule befindet sich zwischen zwei solchen extrem starken Magnetplättchen.

Die gewaltige magnetische Kraft dieser Materialien ist fast nicht mehr vergleichbar mit den Werkstoffen der 30er Jahre. Selbst bis Mitte der 80er Jahre waren solche "eingefrorenen" Kräfte undenkbar, so wie wir heute (März 2011) über eine 2 Terabyte Platte unter 100.- Euro nicht mal mehr staunen.

Die Entwicklungen gingen nahezu unbemerkt weiter und diese "Super-Magnete" werden fast nur noch in China gefertigt. Ohne diese erheblich gesteigerten Gauss-Zahlen wären die CD- und DVD Spieler zum Beispiel gar nicht möglich. Natürlich profitieren die modernen Lautsprecher auch von solchen Hightech-Produkten für die EDV. In welcher mechanischen Form diese Materialien dann "gesintert" werden, ist nur vom Anwendungsfall abhängig. Doch davon später . . .
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Heute fast nur noch sogenannte NEODYM Magneten

: uralter ALNICO Magnet von vor 1940

Der "Magnet" ist eine Umschreibung für einen Haufen Pulver, gemischt aus Eisen, Mangan, Nickel, Cobalt usw. usw. Dieses Pulvergemisch wird in einer sogenanten Kugelmühle erst mal sehr intensiv gemischt und dann unter Erhitzung und sehr hohem Druck in eine Form gepresst, die dem späteren Zweck entsprechend geformt ist. Bei den Lautsprechern sieht man diese Form an dem meist runden "Klumpen" hinten drauf.

Das ganze Herstellen (Pressen) nennt man "Sintern", denn physikalisch ist es es immer noch ein Haufen Pulver, auch wenn es unsere Hände und Augen als ein Stück Metall empfinden. Diese NEODYM Magneten haben den uralten ALNICO Magenten (kommt von Aluminium, Nickel, Cobalt) völlig abgelöst. Sie sind nämlich ganz erheblich kräftiger bei gleicher Größe (mehr als Faktor 20) oder sie sind bei gleicher Magnetkraft deutlich kleiner und damit auch leichter.

NEODYM zählt zur Kategorie der "seltenen Erden" und ist relativ rar auf der Welt, weil die Förderung mit ähnlichen Problemen behaftet ist wie die Uran Förderung. Man braucht aber auch nur wenige Prozent Beimischung zu einem solchen Hochleistungs-Magneten.

Wie kommt die Kraft da rein ?

: ein alter schwacher Lautsprechermagnet

: ein Magnet aus den 50er Jahren

: eine Entmagnetisierungsmaschine

Ist der "Magnet" fertig gepresst und natürlich abgekühlt, werden die magentischen Elementarteilchen in einem elektrisch erzeugten, kurzen aber sehr sehr kräftigen Magnetfeld (in einer Spule) "ausgerichtet", in eine Richtung gezwungen. Dort bleiben sie auch, solange man kein Unheil anrichtet.

Der "Magnet" ist jetzt magnetisch. Durch geheimes Mixen von Metallen und Elementen unterschiedlichster Art wird versucht, die magnetischen Eigenschaften bezüglich Kraft und Konzentration der Kraft auf den Nutzen (in unserem Fall auf den runden Magnetspalt) zu "optimieren". Da ist zwar irgendwann eine physikalische Grenze erreicht, doch die Technik schreitet voran. Da kommen außer Eisenoxid auch Nickel und Cobalt zum Einsatz und auch Bor.
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Wie bekommt man die Kraft wieder raus ?

Das ist eine rein hypothetische Frage, denn das will ja Keiner. Also was darf man nicht tun, daß der "Magnet" weniger oder gar unmagnetisch würde ?

Bei den meisten magnetischen Werkstoffen unserer Zeit liegt die maximale Temperatur (also die untere Grenztemperatur) bei etwa 80 Grad, ab der der gesinterte Werkstoff leidet. Die bislang völlig gleich ausgerichteten "Elemente" lösen sich (ändern teilweise ihre Richtung) und die Kraft läßt nach, je länger die Hitze dauert, desto mehr.

Viel drastischer ist ein wirklich harter Stoß oder Fall des "Magneten" auf einen harten Untergrund. Dann kann er innerhalb von Millisekunden einen großen Teil seiner Kraft verlieren. Das kann aber innerhalb einer Lautsprecherbox (theoretisch) nicht passieren, denn vorher zerspringt das Gehäuse in viel Stücke.

Kann man den Magneten wieder "aufladen" ? Im Prinzip ja . . .

: hier solch eine riesige Spule

Sind also die magnetischen Strukturen innerhalb des (ehemaligen) "Magneten" kräftig durcheinander gewirbelt worden und ist er nur noch schwach magnetisch, dann kann man ihn wieder auf "volle Pulle" aufladen. Sie brauchen nur ein extrem starkes (meist elektrodynamisches) Magnetfeld, in einer Spule zum Beispiel, dann wird er, wie damals bei der Herstellung, wieder voll magnetisiert.

Da gibt es auch keine irreparablen Verluste wie bei Nickel Cadmium Akkus zum Beispiel, die dann jedesmal immer weniger Energie speichern. Nur steht diese Spule in China und dort kommt der Strom aus der Steckdose, jedenfalls noch.

Anmerkung: Als dieser Artikel am 14.3.2011 geschrieben wurde, war gerade das 6-teilige Kernkraftwerk Fukushima in Japan zum Teil explodiert. Also dort kommt nicht mehr so viel Strom aus der Steckdose. Und nicht nur die Japaner warten in diesen Tagen danach auf den Supergau und auf die Wahrheit.

In der Theorie verliert also ein einmal aufgeladener Magnet nichts von seiner Kraft.

Alle Legenden und Gerüchte und Stories sind also dummes Zeug und entbehren jeder physikalischer Grundlage. Und das hat natürlich für unsere guten und teuren Lautsprecher und viel wichtiger, die Generatoren in Windkraftanlagen den Nimbus des ewigen Lebens aufgebracht.

Wo gibt es diese Magnetkraft und diese Spule ?

: DLT und LTO Magnetbänder

: so sehen die Bandwickel aus

Als langjährige DLT und LTO Spezialisten haben wir viel mit der langfristigen Datensicherung auf Magnetband zu tun. Dennoch kommt sehr oft die Frage auf, wie lösche ich diese Magnetbänder, damit mit den Daten kein Unsinnn verzapft wird, (die Bankdaten aus Lichtenstein lassen grüßen).

Diese Magnetbänder sind viele viele Schichten von ganz dünnen stramm gewickelten 12,6mm breiten Bändern, deren magentische Strukturen bei der Herstellung alle gleich ausgerichtet waren und die beim Beschreiben mit Daten im DLT Laufwerk jetzt physikalisch völlig wirr ausgerichtet sind. Solch ein (mit Daten gefüllter) Bandwickel ist damit per Definition nahezu unmagnetisch.

Zum Löschen muß jetzt genau das Gleiche erfolgen wie bei einem "entladenen Magneten", dessen Strukturen wieder exakt gleich ausgerichtet werden müssten. (Damit ware der dann gelöschte Bandwickel nämlich richtig magnetisch.) Aber: Auf einen sogar recht dicken Permanentmagneten würde das DLT Band überhaupt nicht reagieren. Wir haben das probiert. Es ist Zufall, wenn das Band danach nicht mehr zu lesen ist.
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Und jetzt kommen wir zu der großen Spule,

: ein "kleiner" Magnetizer

: ein "großer" mit 480V und 175A

: eine mittelgroße Maschine

mit der man diese DLT Bänder löscht oder den "Magneten" auflädt. Das Teil gibt es nämlich zu kaufen.

Solch ein Magnetizer benötigt recht hohe Ströme. Ein kleiner braucht nur 16 Ampere bei 230 Volt, ein großer will bereits 3 x 175 Ampere bei 480 Volt Drehstrom haben. Das sind dann schon gewaltige Ströme und dicke Leistungen, die selbst unser Hausanschluß in der Redaktion mit 3 x 85 Ampere nicht mehr liefern könnte.

Die ernsthaften professionellen Löschgeräte haben mindestens einen 10KW Drehstromanschluß mit entsprechendem Netztrafo und speichern zudem die notwendige Entladungsenergie in einer "Batterie" von fast hundert Kondensatoren. Dann haben die eine Kupferspule mit ganz dickem Draht, in deren Mitte das Objekt massiv festgeklemmt wird.

Und dann wird die gesamte gespeicherte Energie in die Spule "geschossen".

Der Knall sei in etwa mit dem Absturz eines Jumbo Jets oder eines Airbusses zu vergleichen oder vielleicht dem Schuss einer Panzerhaubitze. In deutschen Wohngegenden ist (selbst in Mischgebieten) ein Betrieb solch einer Maschine völlig ausgeschlossen.

Wir sollten vor Jahren mehrere hundert Bänder einer großen Versicherung nachweislich überprüfbar löschen (für viel Geld sogar) und solch ein Gerät anschaffen. Das mußte ich dann ablehnen, von dem möglichen eigenen Gehörschaden ganz zu schweigen.

Lautsprecher haben noch weitere Eigenschaften und Schwächen. Mehr steht hier.
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