Abitur NRW Physik 2025 · GK · Dynamischer Lautsprecher

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: 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.

1 Material 1 zeigt den schematischen Aufbau eines dynamischen Lautsprechers. In der stromdurchflossenen Schwingspule des Lautsprechers baut sich ein Magnetfeld auf.

a)

Skizzieren Sie in Abbildung 1b des Materials 1 das Feldlinienbild des Magnetfeldes der stromdurchflossenen Spule in der Zeichenebene. Kennzeichnen Sie in diesem Feld den Nordpol der Spule.

b)

Begründen Sie 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.

c)

Für größere Lautstärken soll die Wirkung dieser Kraft vergrößert werden. Beschreiben Sie zwei mögliche bauliche Veränderungen an der Spule, die bei gleicher Stromstärke jeweils zu einer größeren magnetischen Flussdichte im Punkt P (M 1, Abb. 1b) führen würden.

2 Fachpraktischer Teil

Vereinfachend wird zur Untersuchung der Kraft zwischen Magnet und Schwingspule, der in Material 2 dargestellte Versuchsaufbau verwendet.

Material 2: Aufbau und Durchführung des fachpraktischen Teils

Geräte und Materialien: Spannungsversorgungsgerät mit der Einstellmöglichkeit für verschiedene Gleichspannungen

Stromstärkemessgerät

Kabelmaterial

Spule

Kraftmesser

Stabmagnet

Stativmaterial

Hinweise zur Durchführung: Die Polarität der Spannungsquelle ist so zu wählen, dass sich die vom Kraftmesser angezeigte Kraft $F_S$ beim Erhöhen der Stromstärke vergrößert. Achten Sie darauf, dass der Stabmagnet während jeder Messung exakt zur Hälfte in die Spule eintaucht. Nutzen Sie hierzu die Mittelpunktmarkierung des Stabmagneten und nutzen Sie 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.

Abb. 2: schematischer Versuchsaufbau

a)

Bauen Sie die Versuchsanordnung gemäß Abbildung 2 des Materials 2 auf. Ermitteln Sie die Gewichtskraft $F_G$ des Stabmagneten und die wirkende Kraft $F_S$ für insgesamt fünf verschiedene Stromstärken $I$.

Hinweis: Sollten Sie keine verwertbaren Messwerte aufnehmen können, ist es möglich, dass Sie Ersatzmesswerte anfordern. Den nicht erbrachten Leistungen entsprechend werden fünf Bewertungseinheiten nicht erteilt.

$I$ · Messung

Wert / Einheit

$F_S$ · Messung

Wert / Einheit

b)

Begründen Sie mithilfe aller geeigneter Messwerte den Zusammenhang $F = k \cdot I$ zwischen dem Betrag der betrachteten Kraft und der Stromstärke, wobei $k$ eine Proportionalitätskonstante ist.

c)

Formulieren Sie eine Hypothese zur Änderung dieses Zusammenhangs, wenn bei sonst gleichem Vorgehen die Polarität der Spannungsquelle umgekehrt wird.

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 97 % 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 man dabei Abstriche im Klang hinnehmen müsste.

Auch in kabellosen, akkubetriebenen Kopfhörern wird Neodym bereits verwendet. Durch ihre hohe 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.

In dynamischen Lautsprechern werden statt der konventionellen Ferritmagnete zunehmend Magnete aus Neodym zum Einsatz gebracht (siehe M 3).

a)

Begründen Sie, dass durch Ersetzen des Ferritmagneten durch einen Neodym-Magneten für die gleiche Kraftwirkung auf die Schwingspule eine geringere Stromstärke notwendig ist. [2 BE]

b)

Bewerten Sie anhand jeweils eines für Sie bedeutsam erscheinenden inner- und außerphysikalischen Aspekts den Einsatz von Neodym-Magneten in Lautsprechern unter Verwendung von Material 3. [5 BE]