Bau eines Plasmaschallwandlers - Anfänger
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Bergische Universität Wuppertal Anfänger-Projekt Praktikum Sommersemester 2010 Bau eines Plasmaschallwandlers Projektgruppe: Daniel Schwab Tristan Schröder Patrik Rubelowski Oliver von Polheim Liv Weißsieker Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort S. 2 2. Theorie 1.1 Tonerzeugung 1.2 Schaltplan 1.3 Pentode S.3 S.4 S.8 3. Probleme 2.1 Probleme bei dem Aufbau 2.2 Resonanzspule 2.3 Netzgeräte 2.4 Ideale Resonanzspule 2.5 Andere nicht ideale Bauteile 2.5.1 Pentode PL519 2.5.2 20β¦/5W-Widerstände 2.5.3 Spule L1 S.10 S.10 S.14 S.16 S.19 S.19 S.20 S.20 4. Messungen 4.1 Frequenzabhängigkeit 4.1.1 Frequenzgang Spule 1 4.1.2 Frequenzgang Spule 2 3.2 Leistungsaufnahme 3.3 Frequenzgang in Abhängigkeit des Messortes (Abstrahlverhalten) 3.4 Temperaturmessung der Plasmaflamme 3.5 Spannung an der Elektrode (Flammspannung) 3.6 Messung der E-und B-Felder S.21 S.21 S.23 S.25 S.26 S.29 S.31 S.34 5. Fazit S.38 6. Danksagungen S.40 7. Anhang 5.1 Messwerte 5.2 Quellenangaben S.41 S.47 Seite | 1 1.) Vorwort Im Zuge des Anfänger Projektpraktikums für den Bachelor of Physics an der Bergischen Universität Wuppertal galt es zwei frei wählbare Experimente durchzuführen. Eines unserer Experimente ist der Plasmaschallwandler. Ziel ist es, einen amplitudenmodulierten Plasmaerzeuger zu bauen und ihn in seiner Funktion und mit seinen verschiedenen physikalischen Eigenschaften zu untersuchen. Wir erwarten also einen Aufbau zu realisieren, mit dem wir nicht nur eine stabile Plasmaentladung zünden, sondern sie sogar noch so schnell in ihrer Größe variieren können, dass damit Schallwellen erzeugt und für uns hörbare Frequenzen wiedergegeben werden können. Motivation dieses Experiments war die große Herausforderung mit eigenen Händen ein so seltenes Phänomen wie Plasma innerhalb unserer Atmosphäre synthetisch zu erzeugen, zu erforschen und letztlich gar zu beherrschen. Im Universum als solches kein Unbekannter ist dieser so genannte vierte Aggregatzustand in der Natur innerhalb unserer Atmosphäre nur selten zu beobachten, am ehesten noch in Blitzen oder Polarlichtern. Aus eben diesem Plasma einen praktischen Nutzen ziehen zu wollen gab uns das Gefühl hier etwas Besonderes zu kreieren. Für den Bau eines passenden Schaltkreises gilt es sich mit den Eigenschaften essenzieller Bauteile, wie der Pentode, der Spule und dem Resonanztransformator, auseinandergesetzt zu haben. Dieser Aufbau, unser Plasmaschallwandler, wird nach seiner Fertigstellung Inhalt unseres Projekts und Quelle unserer Messungen. Wir werden Frequenzgänge, Leistungsaufnahme und begleitende Phänomene, wie zum Beispiel die unserem Aufbau entspringenden und ihn umgebenden elektromagnetischen Felder analysieren. Wir hoffen mit diesem Projekt einiges über die Erzeugung von Ton und Plasma zu erfahren und uns mit dem Bau fortgeschrittener Schaltkreise auch technisches Wissen anzueignen. Seite | 2 1) Theorie 1.1 Tonerzeugung – Vom Plasma zum Ton Das Prinzip der Tonerzeugung eines Plasmalautsprechers besteht darin, dass das durch die hohe Spannung hervorgerufene elektrische Feld, an der Spitze der Flammelektrode durch Entladung Plasma bildet. Diese bezeichnet man auch als Koronaentladung. Die erforderliche Spannung wird durch einen Resonanztransformator auf 10kV bis 20kV transformiert, welche für die Entladung nötig sind. Das Plasma entsteht durch Ionisation der Luft um die Spitze der Flammelektrode herum und besteht teilweise oder vollständig aus freien Ladungsträgern, wie Ionen oder Elektronen. Es handelt sich dementsprechend um Atmosphärendruckplasma. Diese Koronaentladung kann, wenn ausreichend Strom nachgeliefert wird, einen Lichtbogen schlagen. Für die Überbrückung von 1mm Luft benötigt sie je nach Durchschlagsfestigkeit 2kV bis 3,3kV. Moduliert man nun die Amplitude der angelegten Spannung, ändert sich die Intensität der Entladung und damit die Größe der Plasmaflamme; so werden Druckunterschiede in der Luft erzeugt, die als Ton hörbar sind. Durch das starke elektrische Feld werden größere Mengen Stickoxide erzeugt, welche in Wechselwirkung mit dem Sauerstoff in der Luft Ozon bilden. Seite | 3 1.2) Schaltplan: Wir haben bei unserem Aufbau folgenden Schaltplan verwendet: 1) 2) Im Wesentlichen besteht die Schaltung aus den zwei markierten Teilen. Teil 1) liefert die benötigte Hochspannung für die Bildung der Plasmaflamme, Teil 2) ist für die Audiomodulation zuständig. Seite | 4 Teil 1) Berücksichtigt man die auftretenden Kapazitäten zwischen Anode und Bremsgitter zwischen der Flammelektrode und Masse (durch die Entladung) und die Kapazitive Ankopplung der Spule durch den Feedback an g1, ergibt sich folgendes Schaltbild: C3: C4: C5: Kapazitive Kopplung zwischen L1 und g1 Kapazität zwischen Flammelektrode und Masse Kapazität zwischen Anode und Bremsgitter Ändert man die Darstellung um L1 etwas, ergibt sich: π0 π0 bezeichnet die 600V, die zwischen Anode und Masse anliegen. In der letzten Darstellung wird der Charakter des Resonanztransformators deutlich. Die Schwingung entsteht aufgrund der kapazitiven Rückkopplung (C3) an g1, C1 dient hier nur dazu, die Röhre vor Überschlägen zwischen Flammelektrode und Feedback zu schützen. Wichtig bei der Rückkopplung ist, dass die Kopplung phasenrichtig erfolgt. Das bedeutet, dass der Feedback an der Flammelektrode angebracht werden muss und nicht am unteren Ende der Spule. Denn durch die Einkopplung in die Röhre entsteht eine Phasendrehung von 180° an der Anode. Würde hier abgegriffen, Seite | 5 würde gegenphasig eingekoppelt und die Schwingung gedämpft. Da an der Spule eine weitere Phasendrehung von 180° stattfindet ergibt sich eine Gesamtdrehung von 360° was bedeutet, dass das Signal phasenrichtig eingekoppelt wird. Im schwingenden System des Resonanztransformators gilt: ππΏ = πππΏ 1 π ππΆ = =− πππΆ ππΆ Weiterhin gilt nach dem Ohmschen Gesetz mit ππΆ = Impedanz von C4, sowie πΌ1 = Strom durch L1 und C4: π0 = ππΏ + ππΆ ∗ πΌ1 = ππΏ ∗ πΌ1 + ππΆ ∗ πΌ1 = ππΏ ∗ πΌ1 + ππΆ = ππΏ + ππΆ ∗ πΌ1 1) 2) π2 πΏπΆ ππΆ = (1 − 2 )π π πΏπΆ − 1 0 π2 πΏπΆ ππΏ = 2 π π πΏπΆ − 1 0 An Formel 2) wird deutlich, dass bei geeigneter Wahl von ω, L und C der Nenner des Bruchs und damit ππΏ negativ sein kann, was bedeutet, dass ππΆ > π0 wird. Diese den Resonanztransformator ausmachende Eigenschaft wird hier genutzt, um die 600V Eingangsspannung auf einige 10kV Spannung an der Spitze der Flammelektrode zu transformieren, damit eine Koronaentladung möglich ist. Der rechte Abschnitt von Teil 1), bestehend aus der Spule L2, dem 20β¦ Widerstand und dem Kondensator C2, dient dazu die Hochfrequenz von der Spannungsquelle abzublocken: Die Spule L2 besitzt den Blindwiderstand ππΏ = ππΏ = 2πππΏ, was bedeutet, dass der Widerstand bei Einspeisung einer Frequenz im MHz-Bereich (wie wir sie erwarten) sehr groß ist gegen den Widerstand der Anordnung um L1. Dieser Widerstand von L2 beschränkt den in die Spannungsquelle zurück fließenden Strom sehr stark, sodass der kleine Reststrom anschließend durch den Kondensator C2 eliminiert werden kann. Der 20β¦ Widerstand in der Anordnung dient nur als Sicherung um die Spannungsquelle bei nicht ausreichender Filterung durch L2 (wegen Defekt, zu kleiner Induktivität, zu geringer Frequenz, etc.) zu schützen. Seite | 6 Teil 2) Bei diesem Teil unseres Schaltkreises handelt es sich um den Part, mit dessen Hilfe die wiederzugebende Frequenz in den Schaltkreis eingespeist wird, bzw. unsere Flamme audiomoduliert wird. Dazu haben wir eine über vier Wege verbundene Elektroden-Röhre, die ECL 82, verwendet, sodass sie als Kathodenfolger fungiert. Das Gitter g1 der ECL82 ist über die angegebenen Widerstände und ein Potentiometer so angeschlossen, dass die Spannung und somit die Flammgröße variiert werden kann. Die Anodenspannung liegt laut Vorgaben bei 350V. Wir nutzten jedoch aus Ermangelung eines passenden Netzteiles lediglich 320V. Es zeigte sich später, dass bereits diese geringere Spannung für den Betrieb des Schallwandlers ausreicht. Vermutlich wäre auch eine größere Flamme und somit tiefere Frequenzen realisierbar gewesen, jedoch ohne einen Gewinn an Lautstärke zu verzeichnen, denn letztere ist lediglich vom Modulations-Eingang und dessen Spannungsdifferenzen abhängig. Die nun eigentliche Besonderheit dieses Teils der Schaltung ist, wie bereits erwähnt, dass man extern über einen Kondensator hinweg eine gezielt frequentiert wechselnde Spannung einspeisen kann. Wird nun eine frei wählbare Frequenz mit einer maximalen Amplitude von 60V eingespeist, so wird mit dem Kathodenrückläufer ein Offset realisiert, mit dessen Hilfe wir nun unser Signal in die Röhre einspeisen können, ohne dass das Spannungssignal an einem Punkt negativ wird. Das bewirkt, dass das eingespeiste Audiosignal den Ruhestrom ohne Modulation in der Röhre nicht verringern oder gar verhindern, sondern nur unterschiedlich verstärken kann. Seite | 7 1.3 Pentode Das Prinzip einer Elektronenröhre besteht darin das im Inneren der Röhre Elektronen an einer Glühkathode bereit gestellt (Elektronenemission) und durch ein elektrisches Feld zu einer Anode bewegt werden. Durch ein Steuergitter G1 zwischen Kathode und Anode lässt sich der Elektronenstrom beeinflussen, denn durch unterschiedliche Gitterspannungen bzw. elektrische Felder kann man den Elektronenfluss hemmen oder verstärken. Darauf beruht die Verwendung der Elektronenröhre als Verstärkerröhre, welche wir sie in unserem Versuch auch verwenden. G1: Steuergitter G2: Schirmgitter G3: Bremsgitter Das zweite Gitter G2 bezeichnet man als Schirmgitter. Das Einfügen dieses Gitters zwischen Steuergitter und Anode ändert einige fundamentale elektrische Parameter der Röhre. Die Aufgabe des Schirmgitters ist die elektrische Entkopplung des Steuergitters von der Anode. Es sorgt durch eine gegenüber der Kathode möglichst konstanten Spannung für eine gleichbleibende Beschleunigung der Elektronen Richtung Anode. Das Schirmgitter stellt für das Steuergitter konstante Feldbedingungen her und beschleunigt die Elektronen gleichmäßig Richtung Anode, auch wenn diese eine niedrigere Spannung als das Schirmgitter annimmt. Das erhöht den Innenwiderstand (Quellwiderstand) der Anode beträchtlich. Die unterbundene Rückwirkung der Anodenspannung auf das Steuergitter führt zu einer wesentlich erhöhten Verstärkung. Seite | 8 Zusätzlich besitzt die Pentode ein drittes Gitter, das Bremsgitter G3. Dieses ist sehr weitmaschig und liegt elektrisch auf derselben Spannungsebene wie die Kathode. Den von der Kathode kommenden Elektronenstrom beeinflusst es durch seine Weitmaschigkeit praktisch nicht. Die an der Anode ausgelösten, gegenüber dem Hauptstrom wesentlich langsameren, Sekundärelektronen werden von ihm aber wieder in Richtung Anode gelenkt. Die Pentode hat daher in der Summe fünf Elektroden. In unserem Versuch verwendeten wir die hier abgebildete Pentode PL519 als Röhrenverstärker. Wie oben beschrieben besitzt diese Pentode 3 Gitter: g1, g2, g3, für die jeweils zwei Anschlüsse vorhanden sind, außerdem zwei Anschlüsse für die Heizspannung (f) und jeweils einen für die Kathode (k) und die Anode (a). Seite | 9 2. Probleme 2.1 Probleme bei dem Aufbau Im Folgenden werden die Probleme skizziert, die wir bei der Arbeit nach der im Internet auf www.plasmatweeter.de publizierten Anleitung hatten. 2.2 Resonanzspule Zu Anfang haben wir unsere Resonanzspule auf ein Keramikrohr mit 2cm Durchmesser gewickelt. Die Induktivität dieser Spule haben wir der Spule aus der Anleitung angepasst: Für die Induktivität L einer Spule deren Länge noch mindestens das 0,6-fache ihres Radius beträgt gilt die Approximationsformel: π0 ππ π΄ πΏ = π2 ∗ 2π π+ π€ 2,2 Mit: π=Windungszahl; π΄=Querschnittsfläche; π=Länge der Spule; ππ€ =Windungsradius Weiterhin gilt mit π=Drahtdurchmesser und ππ =Radius des Spulenkörpes: π ππ€ = ππ + ; π΄ = π ∗ ππ€ ² sowie π = π ∗ π 2 In Kapitel 2.4 wird deutlich werden, dass die Näherung ππ€ ≈ ππ , da ππ β« π 2 hier nicht gemacht werden kann. Damit kann die Induktivität berechnet werden mit: Seite | 10 π π0 ππ π(ππ + )² 2 πΏ = π² ∗ π 2(ππ + ) 2 π∗π+ 2,2 Die Spule aus der Anleitung war angegeben mit : π =14 bis 16; ππ =0,0175m; π =0,001m (ππ wurde mit ≅ 1 angenommen) πΏπ΄πππππ‘π’ππ = 8,257ππ» πππ 10,118ππ» Um diesen Werten zu genügen, wählten wir unsere Parameter wie folgt: π =30; ππ =0,01m; π =0,001m πΏπ΄ππ ,1.ππππ π’π π = 9,907ππ» Leider war mit dieser Spule nur Resonanz zu erkennen, wenn die Röhre übersteuert wurde, d.h. Spannung und Strom so stark erhöht wurden, dass die Anodenbleche bereits rot glühten; eine Flamme blieb jedoch aus. Von Herrn Haumann, dem Verfasser der Anleitung, die wir befolgten, bekamen wir den Tipp, einen Spulenkörper zu verwenden, der mit dem von ihm verwendeten exakt übereinstimmt (3,5cm Durchmesser), da eine so dünne Spule, wie die unsere eine zu geringe Güte habe, um die gewünschte Schwingung zu erhalten. Da wir keinen Spulenkörper bekommen konnten, der der starken Erhitzung standhält, die im späteren Betrieb auftreten wird, machten wir den nächsten Versuch mit einem Spulenkörper aus Quarzglas mit einem Durchmesser von 4cm. Wieder wurde die Induktivität angepasst: π =14; ππ =0,02m; π =0,001m πΏπ΄ππ ,2.ππππ π’π π = 9,964ππ» Mit dieser Spule konnten wir schon Resonanz beobachten, wenn die Röhre nur kurz übersteuert und sofort wieder herunter geregelt wurde. Die Schwingung sozusagen „angestoßen“ wurde. So erreichten wir Amplituden von bis zu fast Seite | 11 800V an der Anode der PL519. Jedoch fand die Schwingung immer nur auf jeder 2. Halbwelle statt, wie auf dem Screenshot zu erkennen ist. Eine Flammbildung blieb aus. Screenshot des Oszilloskops, das die auf ein Tausendstel abgeschwächte Spannung zwischen Anode und Masse misst. Außerdem waren beim Hochfahren der Betriebsspannung Deformationen des Signals zu erkennen: Die Schwingungen konnten auch bei kleineren Spannungen „angestoßen“ werden, bildeten sich jedoch nur an den Maxima mit kleinerer Amplitude aus und wurden breiter, wenn die Spannung erhöht wurde. Um dieses Problem zu umgehen haben wir die Eingangsspannung mittels Kondensatoren geglättet (Details dazu unter Netzgeräte). Weiterhin war eine Kopplung der magnetischen Felder des Transformators und Seite | 12 der Resonanzspule zu erkennen, denn je nachdem, wo wir uns zwischen Transformator und Spule befanden, also mit den Feldern zusätzlich wechselwirkten, wurde die Amplitude der eingespeisten Spannung größer oder kleiner. Nach Glättung der Betriebseingangsspannung, und einer räumlichen Trennung von Transformator und Spule (ca. 2,5m) wurde die Schwingung stabil auf dem gesamten Spannungssignal beobachtet (nach Übersteuerung der Röhre), jedoch bildete sich immer noch keine Flamme. Nach wiederholter Überprüfung des Schaltplanes, stellte die Resonanzspule die einzige Abweichung zu den Vorgaben der Anleitung dar (abgesehen von langen Leitungswegen und viel Verkabelung für die Messgeräte). Daher wickelten wir eine Luftspule mit 15 Windungen und einem Durchmesser von 3,5cm um seinen Vorgaben zu genügen. Mit dieser Spule, konnten die vorgegebenen Betriebswerte für Anodenspannung (ohne Verstärkung), Anodenstrom und Spannung an Punkt g1 eingehalten werden. Eine Schwingung stellte sich auch ein, wenn die Röhre nicht übersteuert wurde. Trotzdem bildete sich keine Flamme. Daher variierten wir die Wicklungsrichtung des Feedbacks, die Höhe, auf der der Feedback die Spule abgreift sowie den Ort des Standfußes des Feedbacks (innerhalb/außerhalb der Spule). Dabei fanden wir heraus, dass die Verstärkung am größten ist, wenn der Fuß des Feedbacks innerhalb der Spule ist, die Wicklung die letzte Windung der Resonanzspule fortsetzt und am oberen Ende der Flammelektrode angebracht wird. Trotzdem bildete sich keine Flamme. Erneut baten wir Herrn Haumann um Rat. Leider zog er es nun vor, nicht mehr auf unsere Rückfragen zu antworten. Da wir nun jegliches Vertrauen in etwaige Anleitungen aus dem Internet verloren hatten, stellten wir eigene Berechnungen an. (Mehr dazu siehe 2.4 Ideale Resonanzspule) Seite | 13 2.3 Netzgeräte Für die in der Anleitung beschriebenen Schaltung wird für die Versorgung der Verstärkerröhre (PL 519) eine 600V Gleichspannungsquelle benötigt. Um dies zu erreichen schalteten wir zunächst den 300V Output mit dem regelbaren Output (0-300V) eines Leybold Netzgerätes in Reihe. Damit konnte vorerst die benötigte Spannung von 600V realisiert werden. Da aber die Verstärkerröhre unter Last mehr als die 50mA benötigt, die das Netzgerät liefern kann, ging es schnell in die Strombegrenzung und regelte die Spannung herunter. Um dies zu vermeiden versuchten wir die benötigte Spannung unter Last durch eine Parallelschaltung von drei solchen Netzgeräten zu erreichen. So konnte immerhin ein Strom von fast 150mA geliefert werden, ohne dass die Spannung nennenswert absackt. Bei der Parallelschaltung der Netzgeräte ist auf die Verwendung von Dioden (siehe Schaltbild) zu achten, um Ströme von einem Netzgerät ins andere zu unterbinden. Da die Verstärkerröhre jedoch fast 300mA benötigt, wenn die Eigenschwingung noch nicht angeregt wurde half auch dies nicht. Um zu verhindern, dass sechs oder mehr Netzgeräte bei einem Defekt unserer Schaltung zerstört würden, haben wir keine weiteren Geräte miteinander verschaltet, sondern aus einem Regeltransformator mit 300V AC-Output bei bis zu 2A unser 600V DC-Netzgerät selbst gebaut: Dazu wurde ein Transformator mit vier Spulen à 500 Windungen und einem Ringeisenkern wie folgt verschaltet: Seite | 14 Der Input liegt an einer Spule an, der Output wird an den anderen drei in Reihe geschalteten Spulen abgegriffen. Von der Input-Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, das wegen des Eisenkerns auch die drei anderen Spulen durchsetzt und somit einen Strom in diesen Spulen induziert. Dabei ist darauf zu achten, dass die Output-Spule auf Seite des Inputs so auf den Kern geschoben wird, dass die Wicklungsrichtung mit den anderen Output-Spulen gleich ist. Mit diesem Transformator kann auch unter Last eine Spannung von 600V bereitgestellt werden. Da aber eine Gleichstromspannungsquelle benötigt wird, haben wir an den Output des Transformators einen Brückengleichrichter aus vier Dioden und zwei Kondensatoren geschaltet. AC-Input DC-Output Der Gleichrichter macht aus dem sinusförmigen Wechselstromsignal ein Gleichstromsignal, das dann die Form π π‘ = π0 ∗ |sin(ππ‘)| hat. Um das Signal zu glätten haben wir die Kondensatoren parallel zum Output geschaltet. Da Kondensatoren mit ausreichender Kapazität (1mF) nur mit einer Spannungsfestigkeit von 350V lieferbar waren, haben wir diese in Reihe geschaltet, da dann an jedem Kondensator nur der halbe Output also 300V anliegen. Das hat zwar zur Folge, dass auch die die Kapazität halbiert wird, aber auch mit halber Kapazität war eine Glättung des Signals zu erkennen. Später haben wir insgesamt 8 Kondensatoren, jeweils zwei in Reihe und die vier Reihenschaltungen dann parallel zum Output verschaltet. Seite | 15 2.4 Ideale Resonanzspule Nach dem wir das Vertrauen in Anleitungen aus dem Internet verloren hatten, stellten wir eigene Berechnungen bezüglich der idealen Spule für unsere Schaltung an. Für die Spannungsüberhöhung an der Spule beim Resonanztransformator gilt: ππππ’ππ = π ∗ ππΈππππππ Für die Güte π der Spule gilt: π= 1 πΏ ∗ π πΆ Für die ohmschen Widerständer π gilt: π = Mit π ∗ π ∗ 2πππππ’ππ π∗π + π π πππ π‘ = + π π πππ π‘ 2 π΄ πππ·ππ ππ‘ π= Spezifischer Widerstand des Spulenmaterials [ β¦∗ππ ² π ] π π πππ π‘ =sonstige Wiederstände der Schaltung [β¦] π= Länge der Spule [m] π΄= Querschnittsfläche des Drahtes [mm²] π=Windungszahl der Spule ππππ’ππ =Radius der Spule [m] ππ·ππ ππ‘ =Radius des Drahtes [mm] Mit der Induktivität πΏ (siehe 2.1.1) ergibt sich: ππππ’ππ = ππΈππππππ 1 π ∗ π ∗ 2πππππ’ππ + π π πππ π‘ 2 πππ·ππ ππ‘ ∗ π2 ππ0 ππ π 2πππ’ππ ∗ 2ππππ’ππ π+ ∗πΆ 2,2 Seite | 16 = ππΈππππππ ∗ 1 2π 2 ππ·ππ ππ‘ + π πππππ’ππ ππ0 ππ 2ππππ’ππ π+ ∗πΆ 2,2 Wie an der Formel zu erkennen ist, nimmt die Güte und damit die Spannung an der Spitze der Flammelektrode zu, wenn: 1) Der Radius des verwendet Drahtes zunimmt 2) Der Radius des Spulenkörpers zunimmt 3) Die Windungszahl zunimmt Die Abhängigkeit (1) prüften wir zunächst, indem wir eine Luftspule mit 15 Windungen auf den Körper mit 3,5cm Durchmesser wickelten, dabei nun jedoch drei Drähte mit 1mm Durchmesser parallel schalteten. Das Ergebnis überzeugte sofort: Wir konnten unsere erste Plasmaflamme beobachten. Leider besaß die Flamme nur eine geringe Größe und verlöschte ab und zu von allein. Da diese Abhängigkeit aber offenbar gilt, benutzten wir den dicksten verfügbaren Draht (2mm Durchmesser) und zusätzlich wurde uns ein kurzes Stück Draht mit 3mm Durchmesser organisiert. Wir wickelten zunächst eine Spule mit 3,5cm Durchmesser, 15 Windungen aus dem 2mm dicken Draht und konnten sofort eine deutlich größere Flamme beobachten, die nur bei relativ starkem Wind verlöschte. Mit dem bestellten Draht prüften wir nun auch Abhängigkeit (2) und (3), indem wir Spulen mit 10, 14, 17 und 30 Windungen auf den Körper mit 4cm Durchmesser wickelten. Dabei stellten wir fest, dass bei den Spulen mit 10 und 30 Windungen die Flammen nur sehr klein waren und oft wieder verlöschten. Die Spulen mit 14 und 17 Windungen zeigten stabile Flammen, ungefähr von der Größe der Flamme der Spule mit 3,5cm Durchmesser. Seite | 17 Daraus schließen wir, dass der Durchmesser des Spulenkörpers nur geringen Einfluss auf die Güte des Schwingkreises hat und in unserem Fall von dem Drahtdurchmesser dominiert wird. Über die Abhängigkeit von der Windungszahl können wir keine genauen Aussagen machen, da, was bisher nicht berücksichtigt wurde, auch die Länge der Spule abhängig von der Windungszahl ist. Da auch andere Faktoren, wie die kapazitive Kopplung, die vom Abstand der Windungen zueinander abhängig ist, oder Streuverluste die durch größeren Windungsabstand auftreten, Einfluss auf die Güte nehmen können, war es uns nicht möglich einen genaueren Zusammenhang zwischen diesen Faktoren zu bestimmen, da wir nun funktionierende Spulen besaßen und unser eigentliches Messprogramm aufgrund des fortgeschrittenen Semesters durchführen mussten. Zusätzlich wickelten wir aber noch eine Spule aus dem 3mm dicken Draht (aufgrund seiner schlechten Formbarkeit auf den 4cm Spulenkörper), der zwar nur für 11 Windungen reichte, aber die größte Flamme produzierte, was unsere Annahme über den Zusammenhang zwischen Güte und Drahtdurchmesser erneut bestätigte. Mit dieser Spule nahmen wir den Großteil unserer Messungen auf. Zur Verdeutlichung hier ein Bild der vier gut funktionierenden Spulen, die soeben beschrieben Spule aus 3mm dicken Draht ist ganz links zu sehen. Die drei anderen Spulen sind aus Kupferlackdraht mit 2mm Durchmesser gewickelt. Seite | 18 2.5 Andere nicht ideale Bauteile Mit dieser gut funktionierenden Resonanzspule (siehe 2.4) konnten wir Messungen aufnehmen, was eine längere Belastung der Schaltung mit sich zog. Dabei zeigten sich aber die nächsten Probleme: 2.5.1 Pentode PL519 Nach ca. 10 Minuten Betrieb hatte die Röhre PL519 sich soweit aufgeheizt, dass die Anodenbleche bereits rot glühten. Wir versuchten das zu kompensieren, indem wir einerseits die Anodenspannung der Röhre ECL82 reduzierten, was zu einer geringeren Spannung an Gitter 2 der PL519 führt und damit den Strom durch die Röhre reduziert und andererseits die Spannung an der Anode der PL519 selbst reduzierten, was wiederum zu einem geringeren Stromfluss führt. Beide Maßnahmen konnten nur begrenzt vorgenommen werden, da bei zu geringer Anodenspannung der ECL82 das Audiosignal zu schwach wiedergegeben wird um noch Messungen aufnehmen zu können und bei zu niedriger Anodenspannung der PL519 die Plasmaflamme verlischt. Diese Schritte reichten jedoch nicht aus: Nach kurzer Zeit kam es zu Überschlägen innerhalb der Röhre und sie wurde unbrauchbar. Zusätzlich zu einer neuen Röhre verbauten wir einen CPU-Lüfter zur Kühlung der Röhre. Mit dieser Kühlung wurde auch bei maximalen Anodenspannungen kein glühen der Anodenbleche mehr beobachtet, sodass wir auch über längere Zeiträume messen konnten. Seite | 19 2.5.2 20β¦/5W-Widerstände Diese Widerstände wurden ohnehin schon in Ermangelung des genauen Widerstandswertes durch 2 parallel geschaltete 39β¦/5W Widerstände ersetzt (siehe Schaltplan). Dennoch waren sie nicht für die hohen Ströme und Spannungen, wie sie in unserer Schaltung vorkommen ausgelegt, sodass sie mehrfach kaputt gingen. Daher haben wir fünf 100β¦/5W Widerstände wie im Bild zu sehen ist parallel geschaltet um eine hohe Luftzirkulation zwischen ihnen zu ermöglichen, was vor Zerstörung wegen Überhitzung schützt. 2.5.3 Spule L2 Die von uns verwendete Spule L2 schien ebenfalls nicht für so hohe Ströme und Spannungen ausgelegt zu sein, und rauchte nach ein paar Minuten Betrieb ab. Nach ähnlichen Versuchen Spannung und Strom zu vermindern wie in 2.5.1) hielt die Spule nie länger als ca. 15 Minuten. Daher wickelten wir eine Spule, die unserer Hochfrequenz, Spannungen über 600V und Strömen über 300mA standhielt. Mit ihr traten keine weiteren Probleme auf. Seite | 20 3. Messungen 3.1 Frequenzabhängigkeiten Um die Frequenzabhängigkeiten zu messen wurden mit dem Frequenzgenerator (20V SS-Output, mit Transformator auf 60V SS) einzelne Frequenzen in die Schaltung eingespeist und mit einem Cassy-Lab Mikrophon im Abstand von 50cm der Schalldruck gemessen. 3.1.1 Frequenzgang einer Spule mit 3 parallel geschalteten Drähten, 15 Windungen, Durchmesser 3,5cm Da diese Spule noch nicht aus genügend steifem Draht ist, und kein hohler Spulenkörper existierte, an dem die Spule fixiert werden konnte, haben wir sie mit Klebeband auf Papier fixiert. Das hat aber zu Folge, dass die Spule nur Seite | 21 wenige Minuten betrieben werden kann, da sich durch ihre starke Erwärmung das Klebeband ablöst. Daher wurde der Frequenzgang hier nur von 1,5kHz bis 14,5kHz gemessen. Messwerte im Anhang. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass der Schalldruck bei hohen Frequenzen deutlich zunimmt, die Welligkeit der Kurve ist auf räumliche Einflüsse zurückzuführen. Bei einigen Frequenzen werden sich stehende Wellen im Raum gebildet haben und je nach Amplitudenhöhe am Mikrophon wird die Messung verfälscht. Das haben wir auch während der Messung erkannt, da sich das gemessene Signal geändert hat, wenn jemand sich im Raum bewegt hat. Durch eine Messung im schalltoten Raum könnten diese Fehler minimiert werden, ein solcher Raum stand uns aber leider nicht zu Verfügung. Seite | 22 3.1.2 Frequenzgang einer Spule aus Draht mit 3mm Durchmesser, 11 Windungen, 4cm Durchmesser Diese Spule ist aufgrund des Drahtdurchmessers so steif, dass sie ohne Fixierung steht. So war auch eine längere Messung (von 1kHz bis 25kHz) möglich. Zusätzlich zu der normalen Messung des Frequenzgangs haben wir unmittelbar nach jeder Schalldruckmessung für eine Frequenz den Schalldruck ohne Plasmaflamme gemessen (also nur die Hintergrundgeräusche, die im Raum vorhanden sind und die von unseren Netzgeräten etc. erzeugt werden), sodass wir aus der Differenz dieser beiden Werte den absoluten, von unserem Lautsprecher erzeugten Schalldruck, bestimmen können. Frequenzgang mit Lautsprechersignal (1): Seite | 23 Frequenzgang ohne Lautsprechersignal (2): Aus Diagramm 1 ist wie in 1.1) zu erkennen, dass der Schalldruck mit steigender Frequenz zunimmt. Die Welligkeit ist deutlich geringer als in 1.1), was wahrscheinlich auf die Verschiebung des Mikrophons zwischen den Messungen zurückzuführen ist. Am neuen Standort scheint das Mikrophon zufällig so positioniert zu sein, dass an dieser Stelle, bei dieser Position des Senders, nur wenig stehenden Wellen auftreten. In Diagramm 2, der Schalldruckmessung im ruhigen Raum ist eine stärkere Welligkeit zu beobachten, diese ist wiederum auf stehende Wellen zurückzuführen, da die Sender der jeweiligen Frequenzen an anderen Orten sind. Diese Welligkeit macht sich auch in Diagramm 1 bemerkbar: Mittelt man den Schalldruck in unserem „ruhigen“ Raum arithmetisch ergibt sich πΏπ,ππ’ πππ = −23,18 ππ΅. Geht man weiter davon aus, dass der absolute Schalldruck in einem ruhigen Raum bei ca. 30 dB liegt, und unser Lautsprechersignal bei über 5kHz unwesentlich um unserem definierten Nullpunkt schwankt, ergibt sich eine absolute Lautstärke von 53dB für unseren Lautsprecher. Seite | 24 Weiterhin entspricht ein Signal was ca. 20dB leiser als ein anderes ist ungefähr einem Zehntel des lauteren Signals. Der größte Hintergrundschalldruck betrug -15dB, der kleinste -36dB. Das bedeutet grob abgeschätzt, dass zu unserem Lautsprechersignal je nach Frequenz 1 10 53ππ΅ = 5,3ππ΅ bis 1 1 10 10 53ππ΅ = 0,53ππ΅ durch die Hintergrundgeräusche hinzukommt. Diese Störgeräusche machen Schwankungen in Diagramm 1 bemerkbar. sich durch die kleinen 3.2 Leistungsaufnahme Zusätzlich zu den in 1.2) beschriebenen Messungen wurde die Frequenzabhängigkeit der gesamten von unserer Schaltung aufgenommenen Leistung dokumentiert, d.h. auch Heizspannungen etc.: Das Diagramm zeigt deutlich, dass die Schaltung bei höheren Frequenzen weniger Leistung aufnimmt. Das entspricht voll unseren Erwartungen, da tiefe Frequenzen, also große Wellenlängen nur erzeugt werden können, wenn die Flamme genügend groß ist, um eine entsprechende Größenänderung Seite | 25 durchzuführen. Da für eine größere Flamme aber mehr Leistung benötigt wird, muss die Schaltung bei tieferen Frequenzen mehr Leistung aufnehmen. Der Verlauf des Diagramms hat nichts mit einer sich ändernden Leistungsaufnahme des Frequenzgenerators zu tun, da dieser die gesamte Messung über in Betrieb war und die Leistungsaufnahme der gesamten Schaltung bei gelöschter Flamme konstant war. 3.3 Frequenzgang in Abhängigkeit des Messortes (Abstrahlverhalten) Um das Abstrahlverhalten des Plasmaschallwandlers zu untersuchen haben wir den Frequenzgang aus drei verschiedenen Richtungen gemessen: Die Skizze verdeutlicht den Aufbau zur Messung des Abstrahlverhaltens: Die Punkte 1, 2 und 3 markieren die jeweiligen Positionen des Messmikrophons. Säule Versuchstisch mit Plasmahochtöner Seite | 26 3.3.1 Messort 1: 3.3.2 Messort 2: Seite | 27 3.3.3 Messort 3: . 3.3.4 Auswertung des Abstrahlverhaltens In Diagramm 1 erkennt man den erwarteten Verlauf der Messkurve deutlich: Für tiefe Frequenzen ist der Schalldruck deutlich geringer als für hohe Frequenzen. Diese Messung deckt sich mit den Messungen 1.1) und 1.2). In Diagramm 2 ist eine deutlich stärkere Welligkeit zu erkennen. Sie ist auf die Position des Mikrophons zurückzuführen: Da es in einer aus der Säule und der Fensterfront gebildeten Nische steht, treten an diesem Punkt mehr stehende Wellen auf, als bei der ersten Messung. Trotzdem ist aus dem Diagramm ersichtlich, dass der Frequenzgang dem in Diagramm 1 gemessenen entspricht. In Diagramm 3 dominieren die stehenden Wellen im Raum das gemessene Signal, da wir „in die Nische hinein“ gemessen haben. So hat unser Empfänger nicht nur das direkt vom Lautsprecher gesendete Signal empfangen, sondern auch die von der Nische ausgehenden Reflexionen. Daher ist dieses Diagramm für die Messung des Abstrahlverhaltens unbrauchbar. Aus Diagramm 1 und 2 kann für das Abstrahlverhalten gefolgert werden, dass auf Flammebene gleichmäßig in alle Raumrichtungen abgestrahlt wird. Seite | 28 Für genauere Untersuchungen müsste die Messung in einem schalltoten Raum wiederholt werden. Dieses Abstrahlverhalten wurde von uns erwartet, da die Flamme, ebenso wie die Größenänderung zur Tonerzeugung rotationssymmetrisch ist und sich der Schall daher omnidirektional ausbreitet. 3.4 Temperaturmessung der Plasmaflamme Zur Messung der Temperatur kam nur ein kontaktloses Thermometer in Frage, da die Flamme bei Berührung der Elektrode mit einem Thermometer sofort zusammenbricht und die Elektrode abkühlt. Daher verwendeten wir ein auf dem Planckschen Strahlungsgesetz basierendes Thermometer. Dieses Gesetz besagt, dass jeder Festkörper ein kontinuierliches Spektrum elektromagnetischer Strahlung aussendet, was hauptsächlich von der Temperatur abhängig ist. Unser Thermometer bestand im Wesentlichen aus einem Wolframdraht, der zum Glühen gebracht werden konnte und dessen Temperatur stufenlos regelbar war sowie einem Rotfilter zwischen Draht und Okular. Bei gleicher Temperatur emittieren sowohl Draht als auch Messobjekt dasselbe Spektrum elektromagnetischer Strahlung, erscheinen also durch den Filter im selben rötlichen Ton. Die Temperatur des Wolframdrahtes und damit die Temperatur des Messobjekts (die Spitze der Flammelektrode) kann dann abgelesen werden. Seite | 29 Die Messungen ergaben: Messender Liv Oliver Rubbel Daniel Tristan Temperatur / °C 1010 980 850 900 1040 Fehler / °C 30 40 30 30 50 Mittelwert 956 36 Diese Messungen decken sich gut mit einer vorher getroffenen Abschätzung: Um die Flamme zu starten, muss die Flammelektrode mit einem isolierten Schraubenzieher gestartet werden (Phasenprüfer, Material: Stahl). Zunächst entsteht ein Überschlag. Sobald dieser abreißt, bleibt die Plasmaflamme zurück. Wird der Phasenprüfer nicht sofort weggezogen, sondern der Überschlag aufrecht erhalten, fängt der Phasenprüfer nach kurzer Zeit an, gelbrot bis hellgelb zu glühen. Vergleicht man das mit Literaturwerten, ergibt sich für die Flammtemperatur ebenfalls ein Wert zwischen 950°C und 1000°C. Seite | 30 3.5 Spannung an der Elektrode (Flammspannung) Leider gab es keine Möglichkeit, die Flammspannung direkt zu messen, da das von unserer Schaltung ausgehende elektromagnetische Feld jedes Messgerät, was zu nah an die Flammelektrode gebracht wurde, gestört hat. Daher haben wir die Flammspannung indirekt mit der Länge des Überschlags abgeschätzt. Dazu haben wir einen Phasenprüfer an einer Schieblehre über der Flammelektrode aufgehängt, und den Abstand zwischen Phasenprüfer und Elektrode solange vergrößert, bis der Überschlag abgerissen ist. Der größte Abstand, bei dem noch ein Überschlag vorhanden ist, wurde dann als Messwert aufgenommen. Die Messung ergab für verschiedene Spulen: Spulenhöhe [cm] Windungszahl Drahtdurchmesser [mm] Spulendurchmesser [cm] max. Überschlagslänge [cm] Fehler [cm] 12 12 13 6 14 17 11 15 2 2 3 2 4 4 4 3,5 0,7 0,7 1,0 0,8 0,1 0,1 0,1 0,1 Seite | 31 Auswertung: Für die Spannung an der Spitze der Flammelektrode gilt (siehe 2.4): ππππ’ππ = ππΈππππππ 1 π ∗ π ∗ 2πππππ’ππ + π π πππ π‘ 2 πππ·ππ ππ‘ ∗ π² ∗ ππ0 ππ π²πππ’ππ 2ππππ’ππ π+ ∗πΆ 2,2 Wir gehen hier von einer Kapazität zwischen Flammelektrode und Masse von 100pF aus (Abschätzung von Herrn Prof. Glasmachers). Was für die Berechnung noch fehlt, sind die sonstigen Widerstände im Schwingkreis. Das einzige messbare Bauteil war das Kabel von der Anode zur Spule. Dazu haben wir für unterschiedliche einstellbare Spannungen den Strom durch die Kabelverbindung gemessen und mit dem ohmschen Gesetz den Widerstand errechnet: Widerstand Anode-Spule: Messung I [mA] U [mV] R [β¦] 1 2 3 4 5 Mittelwert Fehler 500 429 330 251 152 7,80 6,70 5,20 3,90 2,40 1,560E-02 1,562E-02 1,576E-02 1,554E-02 1,579E-02 1,566E-02 1 0,05 Fehler R [β¦] 1,0E-04 1,2E-04 1,6E-04 2,1E-04 3,4E-04 1,9E-04 So konnten wir diesen Wiederstand auf π π πππ π‘ = 15,66 ± 0,19πβ¦ bestimmen. Mit ππΈππππππ = 600π und π = 16,78 ∗ 10−3 β¦∗ππ ² π ergibt sich dann: Seite | 32 errechnete SpulenDrahtdurch- SpulendurchWindungsFlammSpule höhe messer messer zahl spannung [cm] [mm] [cm] [V] 1 12,1 14 2 4 163031 2 12,0 17 2 4 190496 3 13,2 11 3 4 217488 4 6,0 15 2 3,5 208601 Ausgehend von einer Durchschlagsfestigkeit der Luft von 2 ππ ππ Fehler Flammspannung [V] 5889 8032 2194 7220 bis 3,3 ππ ππ ergibt sich für unsere Messwerte (bei einem Messfehler von ±0,1cm für die Überschlagslänge): max. Spule Überschlagslänge [cm] 1 0,7 2 0,7 3 1 4 0,8 Mindestspannung [V] 14000 14000 20000 16000 Fehler [V] 2000 2000 2000 2000 Maximalspannung [V] 23100 23100 33000 26400 Fehler [V] 3300 3300 3300 3300 Die errechneten und die abgeschätzten Werte unterscheiden sich sehr stark. Das ist am ehesten durch von uns nicht messbare Widerstände der anderen Bauteile im Schwingkreis zu erklären. Vernachlässigen wir dazu andere Störquellen (siehe 2.2) können wir den nicht messbaren Widerstand abschätzen, indem wir ihn so wählen, dass gemessene und errechnete Werte übereinstimmen. Mit π π πππ π‘ = 0,5β¦ ergibt sich dann: MindestSpule spannung [V] Fehler [V] Maximal- Fehler spannung [V] [V] 1 2 3 4 2000 2000 2000 2000 23100 23100 33000 26400 14000 14000 20000 16000 3300 3300 3300 3300 errechnete Flammspannung [V] 17605 21287 28631 22295 Fehler [V] 493 499 946 1202 Seite | 33 3.6 Messung der E-und B-Felder Wir versuchten das magnetische Wechselfeld auszumessen, indem wir die Spannung, die in eine Spule bekannter Induktivität induziert wird messen und aus der Spannung ππ΅ πππππ’π§ππππ‘ = π ∗ − ∗ π΄ ∗ cos(π΅, π΄) ππ‘ das magnetische Feld bestimmen, davon ausgehend, dass das Feld mit derselben Frequenz wechselt, mit der unser Schwingkreis schwingt. Mit: π=Windungsanzahl π΅=Magnetfeld [T] π‘=Zeit [s] π΄=Fläche einer Windung cos(π΅, π΄)=Winkel zwischen B-Feld und Normalenvektor von A Dazu benutzten wir eine gekaufte Spule mit hoher Induktivität, um kleine Fläche einer Windung durch eine hohe Windungszahl zu kompensieren, und steckten diese auf einen BNC-Adapter, welchen wir direkt mit einem Oszilloskop verbinden konnten. Nun variierten wir den Abstand zwischen der Spule und der Resonanzspule. Auf dem Oszilloskop ist sofort ein Wechselspannungssignal zu erkennen, dessen Amplitude - wie erwartet - bei Verringerung des Abstandes zunimmt und bei Vergrößerung abnimmt. Allerdings ist dasselbe Signal zu erkennen, wenn nur der BNC-Adapter ohne Spule aufgesteckt ist. Das bedeutet also, dass bereits der Adapter als Antenne fungiert, die so stark von dem elektromagnetischen Feld gestört wird, dass das Störsignal die in die Spule induzierte Spannung dominiert und eine Messung mit den uns zur Verfügung stehenden, nicht abgeschirmten Materialien nicht möglich ist. Daher beschränkten wir uns darauf, die Felder nur qualitativ nachzuweisen. Seite | 34 Hier nochmal eine Skizze des Feldlinienverlaufs um die Resonanzspule: Qualitativer Nachweis des magnetischen Feldes: Ähnlich wie zuvor bei dem quantitativen Nachweis des magnetischen Feldes, verwenden wir hier die Eigenschaft einer Spule, dass durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld eine Spannung induziert wird. Dazu haben wir eine Spule mit drei Windungen aus einem normalen Stromkabel gewickelt und die Enden mit einer Glühlampe verbunden. Brachte man diese Spule in die Nähe der Resonanzspule, begann die Glühlampe zu leuchten. Seite | 35 Unmittelbar neben der Resonanzspule leuchtete die Lampe relativ hell, vergrößerte man den Abstand nahm die Helligkeit schnell ab. Wie erwartet, leuchtete sie neben der Spule am hellsten, wenn die Windungen der Prüfspule in der gleichen Ebene wie die der Resonanzspule lagen, drehte man die Prüfspule um 90°, erlosch die Glühlampe. Insgesamt leuchtete die Lampe am hellsten, wenn die Prüfspule unmittelbar über die letzte Windung der Resonanzspule unterhalb der Flammelektrode gehalten wurde. Diese Beobachtungen bestätigen zum einen unsere Annahmen bezüglich des Feldlinienverlaufs (siehe Skizze), dass die Feldliniendichte und damit das magnetische Feld am Spulenende größer ist, als neben der Spule und zum anderen den Einfluss des Winkels zwischen Feldlinien und Prüfspule in der zu Beginn genannte Formel, da wir beobachten konnten, dass die induzierte Spannung und damit die Helligkeit der Glühbirne am größten ist, wenn Feldlinien und Prüfspule aufeinander senkrecht stehen, d.h. Feldlinien und Normalenvektor der Prüfspule parallel sind. Qualitativer Nachweis des elektrischen Feldes: Um das elektrische Feld nachzuweisen, verwendeten wir eine Leuchtstoffröhre. In der Leuchtstoffröhre befinden sich Ionen, die durch ein äußeres elektrisches Feld beschleunigt werden. Stoßen diese Ionen dann mit anderen Atomen, können diese wiederum ionisiert werden, sodass eine Kettenreaktion entsteht. Auch die frei werdenden Elektronen können weitere Atome ionisieren. Alternativ zu der Ionisation können die an Stoßprozessen beteiligten Atome angeregt werden, sodass beim Übergang zurück in den Grundzustand ein Photon emittiert wird (meist im UV-Bereich), das von der auf die Innenwand der Röhre gedampften Leuchtstoffschicht absorbiert wird und diese anschließend ein Photon sichtbaren Lichts emittiert. Wir konnten beobachten, dass die Leuchtstoffröhre nur zündet, wenn ein Ende nahe an die Flammelektrode gebracht wurde. Nach dem Zünden leuchtete die Röhre auch bei größerer Entfernung, bis sie schließlich erlosch. Nach dem Erlöschen musste jene Röhre wieder in die Nähe der Flammelektrode gebracht werden, damit sie zündet. Seite | 36 Außerdem konnte beobachtet werden, dass die Röhre stärker leuchtet, wenn Flammelektrode und die Enden der Röhre auf einer Geraden liegen, als wenn die Gerade durch die Enden der Röhre senkrecht auf der Geraden durch Röhrenmittelpunkt und Flammelektrode steht. Diese Beobachtungen zeigen uns, dass der angenommene Feldlinienverlauf richtig ist, da die Lampe nur in der Nähe der Flammelektrode zündet, da dort die Feldliniendichte und damit das elektrische Feld am größten ist. Es ist zum Zünden eine hohe Feldstärke notwendig, da die relativ schweren Atome so stark beschleunigt werden müssen, dass sie bei einem Zusammenstoß Elektronen auslösen können. Anschließen ist eine geringere Feldstärke ausreichend, da die bereits ausgelösten, leichteren Elektronen stärker beschleunigt werden und auch bei niedrigerer Feldstärke weitere Elektronen auslösen können. Weiterhin wird unser angenommener Feldlinienverlauf bestätigt, da die Röhre heller leuchtet, wenn sie parallel zu den Feldlinien gehalten wird, da so die Elektronen über die gesamte Röhrenlänge beschleunigt werden und eher die benötigte Geschwindigkeit zum Auslösen weiterer Elektronen erreichen. Seite | 37 4. Fazit Auch wenn wir vielleicht nicht gerade Pioniere auf dem Gebiet der Plasmaschallwandler sind, so war es nicht nur in unseren Augen ein gewagter Schritt den Plasmaschallwandler im Rahmen des Anfänger-Projektpraktikums der Bergischen Universität Wuppertal realisieren zu wollen, wie man an den unzähligen Problemen sehen konnte. Am Ende war es aber so besser, da wir uns so noch mehr und noch tiefer mit der Physik auseinandersetzen mussten, was reichlich bleibendes und neues Wissen schaffte. Selbst mit Zuhilfenahme eines laut Internetrecherchen schon mehrfach funktionierenden Schaltkreises konnten wir keine Erfolge verbuchen. Meist fanden wir nur über viele Umwege unsere Fehler, um zu dem resignierenden Schluss zu kommen, dass man nicht davon ausgehen sollte, dass Baupläne aus dem Internet auch wirklich funktionieren müssen. Ohne weitere physikalische Berechnungen und Erkenntnisse die wir im Zusammenhang mit unserem Praktikum erwarben, wäre unser Versuch gescheitert. Dieses Projekt lehrte uns viel über Oszillatoren, den Umgang mit Röhren, hochfrequenten Strömen und Hochspannungen, sodass wir die großen Vorteile der Wiedergabe eines Audiosignals durch eine Plasmaflamme untersuchen konnten. Die Ausbreitung des Schallsignals der Flamme, die als nahezu Punktförmig angesehen werden darf ist omnidirektional und von herkömmlichen Membranen nicht zu erreichen. Die Flamme folgt nahezu trägheitslos dem eingespeisten Signal, da ihre Masse (im Gegensatz zu einer Membran) vernachlässigbar ist. Der Frequenzgang ist annähern gleichmäßig ab einem Bereich von ca. 4kHz. Die Nachteile dieser Art der Klangerzeugung sind ebenso deutlich geworden: Von der Resonanzspule geht ein starkes elektromagnetisches Feld aus, das jedoch abgeschirmt werden könnte. Im Betrieb wird Ozon freigesetzt, das bei Dauereinsatz entweder abgeführt werden müsste, oder dessen Entstehung durch Betrieb in Helium unterbunden werden könnte. Seite | 38 Weiterhin ist deutlich geworden, dass der Schallwandler nur als Hochtöner eingesetzt werden kann, wenn nicht durch eine Abänderung des Aufbaus eine genügend große Flamme erzeugt wird, sodass auch tiefe Frequenzen wiedergebbar werden. Jedoch würde eine größere Flamme auch mehr Ozon produzieren. Abschließend lässt sich sagen, dass, auch wenn der Plasmaschallwandler nicht sehr praxistauglich ist, es doch neben schönen optischen und akustischen Effekten faszinierend ist, dass eine Tonerzeugung auch ohne die Verwendung einer herkömmlichen Membran, nur durch eine kleine Plasmaflamme möglich ist. Seite | 39 5) Danksagungen Im Folgenden möchten wir den Menschen danken, die uns bei der Planung, Durchführung und Auswertung dieses Versuchs unterstützt haben. Dipl. Phys. Uwe Naumann, der uns das gesamte Praktikum über freundlich mit Rat und Tat zur Seite stand. Dr. Marcello Barisonzi, der uns als Betreuer unterstützte. Prof. Dr. Klaus Helbing, der das gesamte Praktikum betreute. Dipl. Phys. Peter Kind, der stets für Fragen rund um Elektronik zu Verfügung stand. Prof. Dr.-Ing. Albrecht Glasmachers und Dr. rer. nat. Albrecht Brockhaus, die sehr zu unserem Verständnis des Versuchsaufbaus beigetragen haben. Dipl. Phys. Thorsten Schliephake und Dipl. Phys. Jens Dopke, die uns besonders in den Anfängen des Praktikums unterstützten. Herr Ullrich Haumann, der uns mit seiner im Internet publizierten Bauanleitung erst auf die Idee brachte, einen Plasmaschallwandler zu bauen. Seite | 40 6) Anhang 6.1) Messwerte 3.1.1) Frequenz [Hz] Schalldruck [dB] Frequenz [Hz] 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 4 4 8 12 7 18 5 23 18 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 Schalldruck [dB] 18 23 18 25 18 28 28 30 30 Frequenz [Hz] 10500 11000 11500 12000 12500 13000 13500 14000 14500 Schalldruck [dB] 24 12 18 23 28 22 22 18 22 Fehler in der Frequenz: 10Hz Fehler im Schalldruck: 2dB 3.1.2), 3.2) Frequenz [Hz] Schalldruck mit Plasmaflamme [dB] 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 -13 -13 -11 -9 -9 -8 -5 -5 -4 -17 -13 -1 -1 Schalldruck Leistung ohne Spannung Strom mit mit PlasmaPlasma- mit Plasma- Plasmaflamme flamme flamme [V] flamme [A] [W] [dB] -26 232 0,92 213,44 -26 232 0,91 211,12 -26 232 0,9 208,8 -21 232 0,9 208,8 -19 232 0,89 206,48 -21 232 0,88 204,16 -19 232 0,88 204,16 -21 232 0,87 201,84 -31 232 0,86 199,52 -19 232 0,86 199,52 -31 232 0,86 199,52 -21 232 0,86 199,52 -16 232 0,86 199,52 Fehler Leistung 2,50 2,49 2,49 2,49 2,48 2,48 2,48 2,48 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 Seite | 41 4250 4500 4750 5000 5250 5500 5750 6000 6250 6500 6750 7000 7250 7500 7750 8000 8250 8500 8750 9000 9250 9500 9750 10000 10250 10500 10750 11000 11250 11500 11750 12000 12250 12500 12750 13000 13250 13500 13750 14000 14250 14500 14750 15000 15250 -1 -9 -1 -9 -1 0 0 1 1 2 0 1 1 0 1 0 1 3 1 2 1 1 3 0 1 2 -1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 -1 0 0 -19 -31 -19 -36 -19 -31 -16 -31 -16 -26 -19 -36 -16 -26 -15 -21 -16 -31 -31 -31 -31 -31 -21 -36 -21 -16 -36 -16 -16 -16 -23 -25 -19 -19 -23 -21 -19 -19 -21 -23 -23 -25 -19 -25 -21 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 0,85 0,85 0,85 0,85 0,84 0,84 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,84 0,84 0,83 0,84 0,84 0,85 0,85 0,84 0,84 0,84 0,84 0,84 0,83 0,83 0,83 0,83 0,83 0,83 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,81 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 197,2 197,2 197,2 197,2 194,88 194,88 197,2 197,2 197,2 197,2 197,2 197,2 194,88 194,88 192,56 194,88 194,88 197,2 197,2 194,88 194,88 194,88 194,88 194,88 192,56 192,56 192,56 192,56 192,56 192,56 190,24 190,24 190,24 190,24 190,24 190,24 187,92 190,24 190,24 190,24 190,24 190,24 190,24 190,24 190,24 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,46 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 Seite | 42 15500 15750 16000 16250 16500 16750 17000 17250 17500 17750 18000 18250 18500 18750 19000 19250 19500 19750 20000 20250 20500 20750 21000 21250 21500 21750 22000 22250 22500 22750 23000 23250 23500 23750 24000 24250 24500 24750 25000 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Fehler in der Frequenz: Fehler im Schalldruck: Fehler der Spannung: Fehler des Stroms: -21 -21 -25 -21 -21 -23 -23 -23 -25 -21 -23 -15 -23 -19 -23 -17 -23 -21 -23 -19 -23 -19 -25 -19 -23 -23 -25 -25 -23 -23 -23 -25 -27 -23 -23 -23 -25 -25 -25 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 232 0,82 0,82 0,82 0,82 0,83 0,83 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,83 0,83 0,82 0,82 0,83 0,82 0,83 0,82 0,82 0,82 0,82 0,83 0,82 0,82 0,81 0,82 0,82 0,82 0,81 0,82 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 190,24 190,24 190,24 190,24 192,56 192,56 190,24 190,24 190,24 190,24 190,24 192,56 192,56 190,24 190,24 192,56 190,24 192,56 190,24 190,24 190,24 190,24 192,56 190,24 190,24 187,92 190,24 190,24 190,24 187,92 190,24 187,92 187,92 187,92 187,92 187,92 187,92 187,92 187,92 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 2,46 10 Hz 2dB 1V 0,01A Seite | 43 3.3) Messort 1) Frequenz [Hz] 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 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http://emsp.tu-berlin.de/lehre/mixed-signal-baugruppen/PL519.jpg Formelquellen: Seite 10, Zeile 11: http://de.wikipedia.org/wiki/Induktivit%C3%A4t Seite 16, Zeile 6: http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungs%C3%BCberh%C3%B6hung Seite 16, Zeile 8: http://www.delphi.uni-wuppertal.de/~kind/E45neu0210.pdf Seite 33, Zeile 5: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Induktion Bücherquellen: Halliday, Resnick, Walker: Gerthsen: Tietze: Physik Physik Halbleiter-Schaltungstechnik Internetquellen: http://www.wikipedia.de http://www.plasmatweeter.de http://http://www.emsp.tu-berlin.de/lehre/mixed-signalbaugruppen/plasmaht50W http://www.ece.villanova.edu/~cdanjo/plasma.html http://homepages.ihug.co.nz/~andrewp/plasma_speaker.html Seite | 47
