Funktion der PU, Richtig verstanden? (Frage an die Physiker und Techniker)

[snakeeater]

Hi,

ich bin für meine Maturarbeit schon auf Suche nach Themen die ich untersuchen kann (https://www.musiker-board.de/vb/pla...e-themen-hypothesen-soll-ich-untersuchen.html , wäre froh über weitere Vorschläge) Doch bevor ich mit dem Experimentieren anfangen kann, muss ich die Theorie verstehen
Ich habe mich mal etwas erkundigt und erkläre es mal so, wie ich es verstanden habe. Bitte klärt mich auf wo ich falsch liege, und korrigert meine Fehlinterpretationen.

Das ganze basiert auf der elektromagentischen Induktion 2. Art, Änderung des magnetischen Flusses, nach der Formel:

, wobei:

Durch das Schwingen der Stahlsaiten verändert man Φ. Nach Induktion 2.Art bleibt die Fläche A konstant (welche Fläche?) und die Flussdichte B wird verändert.
Als Verdeutlichung nehme ich das erste Bild aus den GuitarLetters I von unseren altbekannten Onkel:

Die Richtung des magnetischen Flusses ist durch den Magneten bestimmt (von N nach S) Das Magnetfeld ist gleichzeitig der magnetische Fluss Φ, der den Strom induziert. Die Richtung des Stroms I ist durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt und stellt sich nach dem ohmschen Gesetz I=U/R, wobei U=Uind, ein.

Ich hoffe bis hierhin war irgendetwas richtig, denn nun folgen die Fragen:

, doch woher stammt der Strom I, der wird doch erst induziert? Wird für N alle Windungen gezählt? Also im oberen Bild 45 Windungen. Was wird als Länge l genommen? Wie ändert sich B, wenn man die Saiten schwingen lässt, ausser I ist alles konstant?

So das sollte vorerst reichen. Ich bin sicher das in meinen Erklärungen noch einige Fehler stecken. Es werden sicher weitere Fragen folgen, doch um diese Fragen zu klären, muss ich erstmal die elementare Funktionsweise verstehen.

Ich hoffe ihr könnt mir helfen...

 

[Vintage_Man]

doch woher stammt der Strom I, der wird doch erst induziert?

Strom fliesst da zunächst keiner, da zuerst ein Potentialunterschied bestehen muss.
Induziert wird immer eine Spannung, die dann, bei geschlossenem Stromkreis, einen Stromfluss bewirkt (schliesslich möchten sich ja die unterschiedlichen Potentiale gegeneinander ausgleichen).

Die Fläche A, die Du oben erwähnst, kann nur die durchflutete Fläche sein. Die bleibt ja konstant, während sich das Feld unter dem Einfluss der Saitenschwingungen verändert.

Wenn ich mich recht erinnere (lang, lang ist's her), war das mit der "Rechte Hand Regel" für einen Leiter, der von einem Strom (Gleichstrom) durchflossen wird in Daumenrichtung. Das Feld, dass dann um den Leiter aufgebaut wird hat dann die Drehrichtung der gekrümmten restlichen Finger.

Bei dem Pickup hast Du es mit einer induzierten Wechselspannung zu tun. Bei Gleichspannung wäre der Ton auch nur von sehr kurzer Dauer .

/V_Man

 

[LoneLobo]

Mal mein Senf dazu (Eins vorweg, ich hab keine Ahnung ob das was ich hier schreibe richtig ist. Ich habs mir nur grade so zusammengereimt, weil das auch das erste Mal ist dass ich mir da so im Detail Gedanken drüber mach):

Ich geh jetzt erstmal von einem homogenen Magnetfeld aus, in diesem befindet sich die (noch ruhende Saite).
Saite steht natürlich senkrecht zu den Magnetfeldlinien.

Bringt man die Saite jetzt zum Schwingen, bewegen sich die Ladungsträger da drin. Ladungsträger bewegt sich im Magnetfeld -> Lorentzkraft.
Die Lorentzkraft sorgt dafür dass der Ladungsträger entlang der Saite umanandersaust.
Bei einer Rechtsbewegung in die Bildebene hinein, bei einer Linksbewegung aus der Bildebene raus. Das Teil schwingt also IN der Saite. Durch diesen Stromfluss in der Saite bildet sich ein Magnetfeld kreisförmig um die Saite aus, bei Bewegung der Saite nach rechts IM Uhrzeigersinn, bei Bewegung nach links entgegen.

Dieses kreisförmige Magnetfeld beeinflusst unser ursprüngliches, homogenes Magnetfeld und machts inhomogen.

Diese Magnetfeldänderung ist die Änderung des vektoriellen Bs, also wäre Groß Phi (weil klein Phi macht grade Mist) dann die Ableitung von B mal die konstante Fläche A. Die ändert sich ja im homogenen Feld nicht, behaupte ich.
Mit

kannste dann die induzierte Spannung ausrechnen, WENN du ne Lambdasonde hast und Magnetfeldflüsse messen kannst
Alternative: Über die Saitenfrequenz die Geschwindigkeitsfunktion der Saite berechnen und über Materialkonstanten die Amplitude der Saite, damit dann die Lorentzkraft ausrechnen, mit der man dann übers allgemeine Kraftgesetz die Geschwindigkeitsfunktion der Elektronen berechnen kann, womit man wiederrum die Stärke des kreisförmigen Magnetfeldes rauskriegt, welches Sich um die Saite bildet. Die vektorielle zusammenrechnung der Überlagerung der beiden Magnetfelder dürfte dann mit Abstand am einfachsten sein, du hast dann deine Funktion für B und kannst die ableiten und einsetzen.
Viel Spaß

Das Ganze wird beim Tonabnehmer dann etwas komplizierter, einfach dadurch dass das Magnetfeld nicht mehr homogen ist, sondern eben diese Kreisartige Form annimmt. Dann isses auch mit der Fläche nichmehr so leicht...also ich wüsst jetzt nicht, wie ich da die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche bestimmen soll ^^
Aber da die konstant bleibt, isses eigentlich aa wurscht...ändert ja nix am Verhältnis. Wenns dir aber auf numerische Werte ankommt, dürfte das ein Problemchen darstellen.

Ich hatte, um diesen ganzen Sermon zu unterstützen, eigentlich 4 Bildchen gemalt, aber mein Photoshop war der Meinung, es müsse mal eben abstürzen bevor ich das Zeug speichern kann. Tut mir leid...


Nochmal deutlich: Ich hab KEINE Ahnung ob das so stimmt. Hab ich mir nur grade eben ausm Physikunterricht so zamgereimt. Nicht als richtig ansehn solangs nicht Ulfi oder jemand anderes mit Ahnung davon bestätigt hat

 

[Vintage_Man]

Nochmal deutlich: Ich hab KEINE Ahnung ob das so stimmt.

Da mag ich Dir nicht widersprechen!

Saite steht natürlich senkrecht zu den Magnetfeldlinien.

Woher weisst Du das? Kannst Du sie sehen?

Bringt man die Saite jetzt zum Schwingen, bewegen sich die Ladungsträger da drin. Ladungsträger bewegt sich im Magnetfeld -> Lorentzkraft.
Die Lorentzkraft sorgt dafür dass der Ladungsträger entlang der Saite umanandersaust.
Bei einer Rechtsbewegung in die Bildebene hinein, bei einer Linksbewegung aus der Bildebene raus. Das Teil schwingt also IN der Saite. Durch diesen Stromfluss in der Saite bildet sich ein Magnetfeld kreisförmig um die Saite aus, bei Bewegung der Saite nach rechts IM Uhrzeigersinn, bei Bewegung nach links entgegen.

Oh, Mann.....
Da fliesst kein Strom durch die Saite! Der Permanentmagnet erzeugt ein konstantes Magnetfeld. In diesem Feld befindet sich die Saite und die Spule des Pickup. Das Kernmaterial der Saite ist magnetisierbar und hat damit eine Wirkung auf das Magnetfeld. Wird die Saite nun in Schwingung versetzt, wirkt sich diese Bewegung auf das Magentfeld aus und es verändert sich im Takt der Schwingung. Befindet sich in einem bewegten Magnetfeld ein Leiter (hier als Spule), so wird in ihm eine SPANNUNG induziert. Diese Spannung (Wechselspannung) ist analog der Schwingung (Frequenz) der Saite. Wird diese Spannung abgenommen (Anschluss an einen Verstärker), kann man diese sehr geringe Spannung verstärken und über einen Lautsprecher wieder in Schall wandeln.

Das ist ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo:
Dreht sich der Anker des Dynamo, wird eine Spannung in der umliegenden Wicklung induziert. Solange aber kein Verbraucher (Lampe) angeschlossen ist, fliesst auch kein Strom. Erst wenn der Anschlussdraht einer Lampe angeklemmt wird, kommt ein Stromfluss zustande. Das lehrt uns: Erst wenn ein Potentialunterschied (Spannung) besteht, kann es zu einem Stromfluss kommen; ursächlich ist also immer eine Spannung. Strom fliesst erst dann, wenn ein Verbraucher angeschlossen ist.

Ich hoffe, das ist so einigermassen verständlich ohne grosse Formeln und Gleichungen mit Phi und Differenzenquotient.

/V_Man

 

[DerOnkel]

Da es eine Maturarbeit ist, wirst Du Deine Birne schon ein wenig selber anstrengen müssen! Deshalb also nur ein wenig kürzer.

Die von mir gemachten Aussagen in GLI sind in mancherlei Hinsicht nicht vollständig (die nächste größere Version wird es richten).

Was passiert also in einem Pickup bis die Induktionsspannung entsteht? Man kann das ganze in mehreren Schritten beschreiben:

1. Der Magnet magnetisiert mit seinem statischen Feld die Saite auf einer bestimmten Breite.

Direkt hat dieses Magnetfeld also keine Induktionsspannung zur Folge, denn die entsteht nur dann, wenn eine Flußänderung auftritt. Das ist aber nicht der Fall!

2. Durch die Magnetisierung entstehen in der Saite zwei (drei bei parallelen Humbuckern) Magnete, die in Saitenrichtung ausgerichtet sind. Über den Polen des Tonabnehmers liegen sich die gleichnahmigen Pole der Saitenmagnete gegenüber und erzeugen so einen kleinen unmagnetisierten Bereich.

Bis jetzt haben wir immer noch keine Induktionspannung erzeugt. Das kommt jetzt.

3. Durch die Bewegung der Saiten wird auch das Magnetfeld der Saite bewegt (klar).

Dieses bewegte Feld ist also nicht mehr statisch. Da es auch in die Induktionsspule reicht, ändert sich hier der magnetische Fluß (da die magentische Flußdichte B sich verändert) und es wird eine Spannung induziert.

Natürlich verändert sich durch die Bewegung der Saite das gesamte Magnetfeld, da sich das statische Feld des PU-Magneten mit dem bewegten statischen Feld der Saite (doch dynamisch) überlagert. Da für die Induktion nur der dynamische, also von der Zeit t abhängige Anteil relevant ist, kann man das Feld des PU-Magneten getrost vergessen!

Die von Lobo aufgebrachte Theorie mit dem induzierten Strom in der Saite ist zwar grundsätzlich richtig, kommt jedoch nicht zum Tragen! Die Erklärung dafür ist ganz einfach: Der Stromkreis ist nicht geschlossen, da die Saite an einer Seite elektrisch in der Luft hängt. Im besten Fall findet eine Ladungstrennung statt, welche die Saite polarisiert.

Da die Saite sich hin und her bewegt, wird dann doch ein pendelartiger Strom entstehen. Das daraus resultierende Feld ist dann jedoch um den Kern der Saite herum angeordnet. Die Feldlinien stehen dann nicht senkrecht auf dem Querschnitt der Spule und folglich kann keine Spannung induziert werden!

Fazit:

Die induzierte Spannung ist eine Folge des bewegten Magnetfeldes der Saite deren Magnetisierung durch den Dauermagenten des Tonabnehmer erzeugt wurde.

Theoretisch ist es sogar denkbar, den Dauermagneten nach der Magnetisierung der Saite zu entfernen. Die Induktion würde trotzdem stattfinden. Es gibt Patente aus den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts, die mit einem zuschaltbaren Elektromagneten arbeiten. Mehr dazu in der neuen Version von Guitar-Letter 1.

Ulf

 

[Vintage_Man]

Die von Lobo aufgebrachte Theorie mit dem induzierten Strom in der Saite ist zwar grundsätzlich richtig

Aber Ulf. Da wird kein Strom induziert.

/V_Man

 

[DerOnkel]

Aber Ulf. Da wird kein Strom induziert.

/V_Man

Latürnich!

 

[LoneLobo]

Die von Lobo aufgebrachte Theorie mit dem induzierten Strom in der Saite ist zwar grundsätzlich richtig,

Yeehaw \o/

kommt jedoch nicht zum Tragen!

D'oh! /o\

Schade, aber trotzdem danke natürlich ^^

Aber Ulf. Da wird kein Strom induziert.

Vielleicht siehst du "Strom" zu speziell :x
Definiton von Wikipedia:

Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum.

Es ist schon "Strom" wenn ich ne Konduktorkugel oder ne Batterie durchn Raum trag..

 

[DerOnkel]

Es ist schon "Strom" wenn ich ne Konduktorkugel oder ne Batterie durchn Raum trag..

Aber hier ist die Ursache des Stromes nicht so "spannend" !

Ulf

 

[LoneLobo]

Das is natürlich richtig ^^
Strom isses trotzdem \o/
Sonst wär der Versuch mit der Konduktorkugel in der 8. Klasse irgendwie einigermaßen Sinnfrei ;D

Wieso merk ich mir so nen Schrott eigentlich...?!

 

[snakeeater]

Da es eine Maturarbeit ist, wirst Du Deine Birne schon ein wenig selber anstrengen müssen! Deshalb also nur ein wenig kürzer.

Die von mir gemachten Aussagen in GLI sind in mancherlei Hinsicht nicht vollständig (die nächste größere Version wird es richten).

Ulf

Es ist mir schon klar, dass ich mich meine eigene Birne anstrengen sollte, doch da wir es noch nicht im Unterricht gehabt haben, gibt es da nicht viel zum Anstrengen

So ich habe mir mal zusammengereimt, was du aufgeschrieben hast. Ich hoffe es stimmt, wenn nicht bitte korrigieren:

Durch das Schwingen der Saite verändert man den magnetischen Fluss, A bleibt gleich (ist die Fläche des Magnetfeldes gemeint?) und B ändert sich. Diese Änderung induziert eine Spannung und die Spule dient als Spannungsquelle. Mit dem Potentialunterschied zum Amp stellt sich ein Strom ein (?).
Durch das Drehen der einen Spule, erreicht man das ein störendes Magnetfled kompensiert wird. Durch den "falschen" Drehsinn von I bekommt es ein negatives Vorzeichen und hebt sich mit dem positiven der anderen Spule auf. Das Magnetfeld der Saite wird verdoppelt, da hier der Drehsinn stimmt. Ist es egal auf welche Seite es sich verformt? Einmal ist es über dem Nordpol ein anderes Mal beim Südpol.

P.S. wann kommt denn die neue GuitarLetter?

 

[Vintage_Man]

Hallo snakeeater,

Vielleicht fängst Du erst einmal mit einem Single Coil an, um zu verstehen, wie dieser funktioniert. Danach kannst Du Dich mit der zusätzlichen Komplexität eines Humbuckers auseinandersetzen.
Es ist nicht der Potentialunterschied zum Amp, der einen Stromfluss bewirkt, sondern der Potentialunterschied, der sich zwischen den beiden Enden der PU-Wicklung einstellt.

/V_Man

 

[Vintage_Man]

Vielleicht siehst du "Strom" zu speziell :x
Definiton von Wikipedia:

Zitat:
Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum.

Es ist schon "Strom" wenn ich ne Konduktorkugel oder ne Batterie durchn Raum trag..

(aber nur bei schön fliessender Bewegung ....)

@EinsamerWolf
Das ist so auch völlig richtig, obwohl man bei Wickipedia nicht immer so strenggläubig sein sollte. Ein Strom existiert erst dann, wenn sich etwas bewegt. Nur, am abgeklemmten PU bewegt sich nix, solange noch kein Verbraucher angeschlossen ist. Da gibt es nur diesen Potentialunterschied; nenn es vielleicht mal Druck. Wenn Du zwei Eimer Wasser betrachtest, wobei der eine höher steht und voll Wasser ist und der andere unten steht und leer und beide sind durch einen Schlauch miteinander verbunden, der aber in der Mitte einen Absperrhahn hat und der ist zugedreht ..... watt'n Satz ....., dann besteht da auch dieser Druck; das Wasser möchte nach unten - geht aber nicht, da der Kreislauf nicht geschlossen ist. Erst wenn Du daher kommst und den Hahn aufdrehst, fängts an zu strömen.
Beim elektrischen Strom betrachtet man immer eine Stomquelle und eine -Senke (siehe oben). Nur wenn beide miteinander gekoppelt sind, fliesst ein Strom.

Du hast recht, ich sehe das ein bischen verbissen, aber ich denke auch, dass dieser Umstand unbedingt zum korrekten Verständnis dazugehört.

/V_Man

 

[LoneLobo]

(aber nur bei schön fliessender Bewegung ....)

@EinsamerWolf
Das ist so auch völlig richtig, obwohl man bei Wickipedia nicht immer so strenggläubig sein sollte. Ein Strom existiert erst dann, wenn sich etwas bewegt. Nur, am abgeklemmten PU bewegt sich nix, solange noch kein Verbraucher angeschlossen ist.

Vom Tonabnehmer redet auch niemand...Ich zumindest nicht
Es ging in dem was du angesprochen hast um die Saite. Die Saite besteht aus nem Metall, in dem sich Ladungsträger befinden, man spricht da ja oft von nem "Elektronengas" um die vielen positiven Kerne.
Diese Ladungsträger bewegen sich, sobald man die Saite zum Schwingen bringt. Diese Bewegung geschieht im Magnetfeld und es gibt ne Lorenzkraft.
Wenn du bei nem Massenspektrographen die Ladungsträger fröhlich ins Magnetfeld ballerst, ist da auch nix mit Stromkreis o.ä., _trotzdem_ isses Ladungsträgerbewegung, ergo Strom.
Das man das Zeug dann nicht so verwenden kann wie mans normalerweise von Strom gewonnt is, steht auf nem anderen Blatt, aber Ladungsträgebewegung isses trotzdem

Beispiel aus der Schule: Die Leiterschaukel im Magnetfeld:

Schließte an das Ding links und rechts n Voltmeter an, zeigts dir ne Spannung an sobald du die Schaukel bewegst. Und da bewegst du auch nur die Ladungsträger die sowieso im Leiter sind mit der Hand.

Dein Beispiel mit dem Wasser is ja ganz lustig, trotzdem isses - wenns um komplexere Zusammenhänge geht - irgendwann ma essig mit der Wasseranalogie...bin ich der Meinung und die ham mir auch schon mehrere E-Techniker und Physiklehrer bestätigt.

Das mit Wikipedia is so natürlich richtig, aber ich wollte halt ne Quelle liefern können. Die Definition hab ich im Kopf, aber "ich hab das so im Kopf" is nicht soooo ne tolle Untermauerung.

 

[Vintage_Man]

Geh mir weg mit den Physiklehrern ......

Also Deine Schaukel ist ja auch nix anderes als ein Stromkeis. Du legst eine Gleichspannung an den Leiter, der im Feld des Permanentmagneten hängt und somit fliesst durch ihn ein Strom, der ein Magnetfeld um diesen Leiter ausbildet (Rechte Hand Regel!) Dieses Feld wirkt auf das Feld des P-Magneten und lenkt die Schaukel aus.
Und umgekehrt, wenn Du die Gleichspanungsquelle durch einen Spannungsmesser ersetzt, schlägt der halt aus, wenn Du die Schaukel bewegst.

So what?

Was da übrigens in die Saite induziert wird ist absolut vernachlässigbar. Das entspricht kaum einer einzigen Windung, die obendrein auch direkt noch auf Masse liegt. Das ist ein unbedeutender Nebeneffekt. Die Hauptursache ist die Magnetisierbarkeit der Saite und die Wirkung die Störung des konstanten Magnetfeldes.


Übrigens fing dieser Fred mit nem Tonabnehmer an und da dachte ich halt .......

/V_Man

 

[LoneLobo]

Ulf hat ja schon gesagt, dass mein Effekt vernachlässigbar klein ist und nicht auftritt.

Aber du hast gesagt, da wird nix induziert, das ergo falsch wäre. Und dem is nicht so...das is im Grunde alles was ich klarstellen will.

 

[Vintage_Man]

Na, wir wollen doch hier jetzt keine Korinthen kacken. Wenn ich sage da wird nix induziert und Ulf sagt, dass der Effekt so minimal ist und eigentlich nicht auftritt, dann ist das doch mehr oder weniger dasselbe, oder?
Ich versuche nur, die Sachzusammenhänge allgemeinverständlich darzustellen, ohne Mathe, so dass der Grossteil hier das auch nachvollziehen kann.
Für die Betrachtung der Funktion eines Tonabnehmers spielt das sowieso keine Rolle und verwirrt nur den armen snakeeater, der doch erst mal peilen soll, wie so'n SC funktioniert. D.h. Ulf's berühmte Letters inhalieren!
Und dann schreibt er ja auch nur eine Maturarbeit und kein Diplom.

Gut's Nächtle!

/V_Man

 

[snakeeater]

Kann mir noch einer erklären, ob meine Zeichnung richtig ist? Vorallem bin ich mit der Magnetisierung der Saite nicht sicher, wegen den Polen.

 

[DerOnkel]

So ich habe mir mal zusammengereimt, was du aufgeschrieben hast. Ich hoffe es stimmt, wenn nicht bitte korrigieren:

Das sieht ganz vernünftig aus!.

Durch das Schwingen der Saite verändert man den magnetischen Fluss, A bleibt gleich (ist die Fläche des Magnetfeldes gemeint?) und B ändert sich.

Ja, ja und mit der Fläche ist der Querschnitt der Spule gemeint.

Diese Änderung induziert eine Spannung und die Spule dient als Spannungsquelle. Mit dem Potentialunterschied zum Amp stellt sich ein Strom ein (?).

Der Eingangswiderstand des Verstärkers verbindet diesen Potentialunterschied, sodas ein Strom fließen kann.

Durch das Drehen der einen Spule, erreicht man das ein störendes Magnetfled kompensiert wird. Durch den "falschen" Drehsinn von I bekommt es ein negatives Vorzeichen und hebt sich mit dem positiven der anderen Spule auf. Das Magnetfeld der Saite wird verdoppelt, da hier der Drehsinn stimmt. Ist es egal auf welche Seite es sich verformt? Einmal ist es über dem Nordpol ein anderes Mal beim Südpol.

Hmm, etwas verquer ausgedrückt.

Durch die gegenphasige Zusammenschaltung der beiden Spulen kompensieren sich die durch externe Felder (sie sind angenommenerweise in beiden Spulen gleich) hervorgerufenen Ströme zu (ideal) 0.

Durch die gegenphasige Polung der beiden Magnetpole ändert sich die Phase der Induktionsspannung in einer Spule. Somit ist die Kompensation nicht wirksam, sondern er erfolgt eine Addition (siehe Guitar-Letter I).

wann kommt denn die neue GuitarLetter?

Das wird noch ein paar Tage dauern...

Ulf

 

[OneStone]

Irgendwie find ich das schon interessant....sowas wie das hier würde an den Schulen, die ich kenne, wenn es die Lehrkraft sieht, mit Sicherheit erstmal ein paar Notenstufen schlechter bewertet werden....

Nebenbei gilt das hier
[qimg]http://upload.wikimedia.org/math/7/4/e/74e99ea2833b68d9e36ef6afe2a6ef46.png[/qimg]
nur für lange Spulen ohne Kern drin (Luftspulen)...aber das gehört hier eh nicht hin, da du mit der Formel ja ein B aus einem I machst und ned ein U aus einem dB/dt...

MfG OneStone