"Was ich nicht erschaffen kann, verstehe ich nicht." (Richard Feynman, Nobelpreisträger für Physik) vgl. auch

 

Ach, ich liebe die Feinheiten der (deutschen) Sprache:

• nicht "wir basteln ein Handy",
• sondern hübsch reflexiv "wir basteln uns [!] ein Handy":

nur für uns, also für unseren Erkenntnisfortschritt!

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Damit hier nicht von Anfang an ein falscher Eindruck aufkommt: ich habe keineswegs was gegen "High-Tech" (höchstens etwas gegen die eine oder andere Anwendung), sehne mich also auch nicht zurück in die Zeit, "als alles noch aus Holz war". Im Gegenteil: ich stehe geradezu ehrfürchtig vor der Ingeniosität z.B. eines Handys und möchte es zunehmend verstehen lernen. Aber letzteres ist doch nur möglich, wenn man anfangs die einfachsten technischen Zusammenhänge verstanden hat.

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Zu allererst nehmen wir uns das erstbeste Handy und nagen es bibermäßig ab:

1. kommt der ganze Schnickschnack in den Mülleimer:

"1,3-Megapixel-Kamera mit Videoaufnahme-Funktion
Hochwertiges Video-Streaming mit Ton
32 MByte interner Speicher und der Steckplatz für bis zu 512 MByte große MMC-Speicherkarten (MultiMediaCard) ermöglichen die Nutzung des Mobiltelefons auch als Speicher für digitale Daten
Aktiv-TFT-Display und neue animierte 3D-Menü-Symbole
Push-to-talk-Funktion
Komfortable lokale und Fern-Synchronisation
Flexible Verbindungsmöglichkeiten: Kabellose Bluetooth Verbindungen, Infrarot-Schnittstelle, USB-Verbindungen über den Pop-Port™-Anschluss und GPRS/EDGE-Verbindungen
XHTML-Browser über TCP/IP
Stereo-Music-Player für AAC-/MP3- und M4A-Dateien und UKW-Radio
Visual Radio"

(Ich unterstelle mal: das soll auch keiner verstehen - sondern jeder soll nur mächtig beeindruckt sein.
Kommt hinzu, dass auch "kein Schwein" diese Funktionen braucht: z.B. "Video-Aufnahme-Funktion": da nimmt man dann sich selbst auf und schaut sich dann hinterher selbst an: "ich bin im Fernsehen, ich bin im Fernsehen!".)

2. hat ein Normalsterblicher "wie du und ich" nicht die mindeste Chance, das Innere eines Handys zu verstehen (geschweige denn nachzubauen):

Nicht nur, dass diese Handy-Platine randvoll mit Elektronikbausteine ist. Schlimmer noch:

• selbst wenn man (ich hab's mal probeweise versucht) die großen schwarzen Bausteine durchschneidet, erkennt man nichts,

• und auch unter einem Mikroskop sähe man höchstens ein verwirrendes Labyrinth:

(das überschauen ja nicht mal mehr die Konstrukteure selber [schon gar nicht ein einzelner], zumal solche Chips inzwischen von Computern entwickelt werden, also Computer von Computern).

Und das eigentlich Wichtige findet sowieso im sub-mikroskopischen Bereich der Elektronen statt.

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Das Abnagen der Soft- und Hardware hilft also nicht weiter. Wir müssen das Handy also geistig "reduce to the max":

"Was ist ein Handy?"

Die grundsätzliche Funktionsweise eines Handys sieht doch wohl folgendermaßen aus:

1. Gesprächspartner:

→ Schallwellen

→ Mikrofon
                                                                                     (erstes Handy)
→ [interne elektronische Verarbeitung

→ Funkübertragung

→ 1./2. Telefonunternehmen?

→ Funkübertragung

→ interne elektronische Verarbeitung]
                                                                                                         (zweites Handy)
→ Lautsprecher

→ Schallwellen

→ 2. Gesprächspartner

Gehen wir mal davon aus, dass ein Laie den eingeklammerten Teil sowieso nicht verstehen kann. Wenn wir ihn einfach durch "Stromkabel" ersetzen, bleibt

1. Gesprächspartner:

→ Schallwellen

→ Mikrofon                                                                  (erstes Handy)

→ Stromkabel
→ Lautsprecher                                                            (zweites Handy)

→ Schallwellen

→ 2. Gesprächspartner

Im Grunde bleibt also nur das klassische Telefon über:

(noch ohne dieses grauenhafte Gepiepe und mit echter Wählscheibe!)

(Das restliche moderne Handy ist also im Grunde genauso eine aufgemotzte Mogelpackung wie das Auto, das nach wie vor ein mit Blech verkleideter benzinfressender Otto-Motor ist.

Der einzige [bemerkenswerte] Unterschied zwischen einem "Handy" und einem stinknormalen "funklosen" Telefon besteht sowieso nur darin, dass man mit dem Handy überall erreichbar ist bzw. anrufen kann, was

• man sowieso höchstens drei Mal im Leben braucht, und dann nur in Notlagen,

• ansonsten aber [zusammen mit Email und Anrufbeantworter] zum Terror der permanenten Verfügbarkeit [Kontrollierbarkeit?] führt.)

Noch genauer: übrig bleiben nur die Sprechmuschel des einen Telefons und die Hörmuschel des anderen Telefons, die wir uns sozusagen zu einem einzigen klassischen Telefonhörer zusammensetzen können, bei dem

(anders als bei einem üblichen Telefon)

Sprech- und Hörmuschel direkt durch Kabel miteinander verbunden sind:

(man könnte also auch sagen: ein Onanie-Telefon)

Hiermit haben wir also analog zum Filmausschnitt aus "Die Feuerzangenbowle"

• "das eine Loch", nämlich das Mikrofon unten,

• "das andere Loch" ("datt kriegn wer später"), nämlich den Lautsprecher oben.

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Wer nun meint, wir hätten das Handy doch arg simplifiziert, wird staunen, wie kompliziert alles noch immer ist - und wie historisch interessant:

• nachdem jahrhundertelang Elektrizität und Magnetismus als völlig getrennte Kräfte galten, entdeckte 1820 der dänische Physiker Hans Christian Ørsted , dass ein elektrischer Strom in einem Draht eine Kompassnagel ablenkt:

Strom → Bewegung eines Magneten,

was das Grundprinzip eines Lautsprechers ist!

• Der englische Physiker Michael Faraday entdeckte das glatte Gegenteil: ein bewegter Magnet erzeugt einen Strom:

Bewegung eines Magneten → Strom,

was das Grundprinzip eines Mikrofons ist!

Ein Lautsprecher ist also "einfach" (???) oder doch wohl eher erstaunlicherweise das glatte Gegenteil von einem Mikrofon:

• Lautsprecher: Strom → Bewegung eines Magneten → Bewegung der (Lautsprecher-)Membran → Schallwellen,

• Mikrofon: Schallwellen → Bewegung der (Mikrofon-)Membran → Bewegung eines Magneten → Strom.

So kann man im Prinzip auch aus jedem Lautsprecher ein Mikrofon bauen (und umgekehrt), nur dass man

• im ersten Fall Strom reinschickt und Schallwellen rauskommen,

• im zweiten Fall Schallwellen reinschickt und Storm rauskommt.

(Entsprechend ist ein Dynamo das Gegenteil von einem Elektromotor - und wiederum umgekehrt.)

Wer noch immer meint, unser abgenagtes Telefon sei ach so simpel, der sei an die erste theoretische Darstellung des Zusammenhangs von Magnetismus und  Elektrizität durch James Clerk Maxwell und seine berühmten vier

(gleichzeitig komplizierten und elegant einfachen)

Gleichungen erinnert:

Es gibt Leute, die

• vor lauter Muskeln kaum mehr gehen

• bzw. vor lauter  (Pseudo-?)Wissen gar nicht mehr staunen können - und zwar über die simple (?) Interaktion von Magnetfeld und Strom in unserem abgenagten Handy.

Welche Sprengkraft in steckt, hat "nur" Einstein geahnt, dessen größter Vorzug darin bestand, dass er noch ganz simpel staunen und fragen konnte:

"Was Einstein [...] hervorhob, war seine Verblüffung über bestimmte elektrische und magnetische Eigenschaften. Er machte sich Sorgen über ein augenscheinliches Paradox. Denken Sie sich einen Stabmagneten, der durch eine feststehende elektrische Spule bewegt wird, oder eine Spule, die an einem Magneten entlanggeführt wird. Das sind wohlunterschiedene Fälle. Maxwells Gleichungen müssen unterschiedlich angewendet werden, je nachdem, ob die Spule feststeht und der Magnet sich bewegt, oder ob der Magnet feststeht und die Spule sich bewegt. Aber beide Fälle ergeben exakt dasselbe Resultat: einen Strom. Wie konnte das sein, fragte Einstein. Die Beschreibung dessen, was sich abspielt, ist je nach Gesichtspunkt unterschiedlich, aber das beobachtete Resultat - der Fluß eines elektrischen Stroms durch die Spule - ist in beiden Fällen dasselbe. Das Experiment gibt keinen Aufschluss darüber, welches Objekt - der Magnet oder die Spule - sich wirklich im absoluten Raum in Bewegung befindet. Hier gab es einen Riß in der Vorstellung eines festen, ewigen Bezugsrahmens.
Newtons Mechanik und Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus waren die beiden monumentalen Theorien ihrer Epoche. Beide lieferten extrem genaue Vorhersagen. Was Einstein beunruhigte, war der Gedanke, daß diese beiden großen Werke der Physik offenbar nicht den gleichen Regeln bei der Definition von Raum und Zeit folgten. Einsteins Geniestreich bestand darin, einen Weg zu finden, die beiden Theorien unter den denkbar einfachsten Annahmen miteinander vereinbar zu machen. überraschend war vielleicht, daß seine Lösung keine großen Sprünge in der Physik erforderte. Einsteins historischer Aufsatz von 1905 ist von erlesener Einfachheit. Alle seine Hypothesen stützen sich auf die Physik, wie sie im 19. Jahrhundert verfügbar war. Seine einzige erfinderische Annahme war ein neuer Begriff von Raum und Zeit. Mit dieser einzigen Veränderung paßte plötzlich alles zusammen."
(zitiert nach: Marcia Bartusiak: Einsteins Vermächtnis, S. 50f)

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Selbstverständlich werde ich nicht das Telefon nacherfinden können:

1. kann ich mein nunmal vorhandenes Vorwissen nicht ausblenden,

2. bedurfte es offensichtlich einiger Genies

(zusätzlich des eigentlichen Telefonerfinders Alexander Graham Bell , denn auf die Idee, Schallwellen und Strom zu koppeln, muss man ja auch erst mal kommen),

um all die Voraussetzungen für das ach so simple Telefon zusammen zu bekommen.

Obwohl ich hier also notgedrungen schon einiges Vorwissen einbringe:

Ich werde nicht versuchen, den zentralen Zauber zu erklären: wie da von Geisterhand, nämlich ohne jede Berührung und völlig unsichtbar, eine Bewegung einen Strom erzeugt (und - dann erst sichtbar! - umgekehrt).

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Trotz des "unberührbaren" Zaubers und wegen meines Generalverdachts gegen alles (Pseudo-)Vorwissen möchte ich weitestmöglich begreifen (anfassen und sehen), was

• ein Telefon,

• also ein Lautsprecher

• und ein Mikrofon

ist.

Unser simplifiziertes Telefon ist mir noch immer nicht genug "reduced to the max":

ich möchte wissen, wie ein Lautsprecher bzw. ein Mikrofon innen aussieht.

Da helfen mir die miniaturisierten Versionen in Handys

(Originalgröße)

oder die schon ein bisschen größeren in altertümlichen Telefonen auch nicht weiter.

(... und schon gar nicht - auf andere Weise hochinteressante! - Piezo-Lautsprecher bzw. -Mikrofone, wie sie inzwischen vielleicht in Handys verbaut werden:

"[...] Der physikalische Hintergrund der Piezo-Elektronik ist ein noch immer verblüffender, 1880 von den Brüdern Curie erstmals beobachteter Effekt: Einige Kristalle - wie etwa Quarz, Turmalin und Seignettesalz - reagieren auf mechanische Druckbelastung durch Freisetzung von Elektronen und lassen sich - der umgekehrte piezo-elektrische Effekt durch angelegte elektrische Spannung verformen und zu Schwingung veranlassen. Bei technischen Keramiken läßt sich diese Eigenschaft auf ein bestimmtes Anwendungsgebiet hin optimieren - etwa die Umwandlung mechanischer Schwingung auf einer hauchdünnen, metallbeschichteten keramischen Scheibe in elektrische Spannung zur Stimmübertragung und -wiedergabe. Heute ist die Piezo-Technik aus ihrem einst populärsten Anwendungsgebiet, der Telefonie, fast verschwunden. Das hat keineswegs technische Gründe: In ihrer Leistungsfähigkeit können sich gute Piezo-Akustikwandler mit elektrodynamischen Wandlern (hier geschieht die Umwandlung über Spulen und Permanentmagnete) durchaus messen. Allerdings lassen sie sich nicht über ein gewisses Maß hinaus verkleinern und schieden daher bei der fortlaufenden Miniaturisierung des Telefons sang- und klanglos aus der technischen Evolution aus. Das ist bedauerlich, denn es gibt über den offenkundigen ergonomischen Grund hinaus noch einen weiteren, sich für ein Telefon mit Piezo-Technik zu entscheiden. Die Miniaturisierung qua elektrodynamischem Wandler ist mit einem erheblichen Nachteil erkauft: Im Gegensatz zum Piezo-Wandler baut sein elektrodynamisches Gegenstück ein starkes elektromagnetisches Feld auf. Dessen Auswirkungen aber, zumal in Kopfnähe, sind seit vielen Jahren Gegenstand erregter Diskussion und medizinischer Forschung (»Elektrosmog«)."
[zitiert nach   ])

Ich brauch's einfach größer bzw. handgreiflicher, und weil in der Regel Lautsprecher größer als Mikrofone sind, besorge ich mir von einem Radiohändler einen (kaputten) Lautsprecher und

• baue ihn weitestmöglich auseinander

(nebenbei: mit dem Ehrgeiz, ihn nicht zu zerstören, sondern auch wieder zusammenbauen zu können!)

• oder säge ihn einfach mal in der Mitte durch:

(wohlgemerkt wieder mit dem Ehrgeiz, dabei die Struktur und ihre Erkennbarkeit möglichst wenig zu zerstören).

Was ich da zu sehen bekomme, ist mir aber noch immer zu kompliziert

(u.a., weil die heute üblichen Lautsprecher im Vergleich mit dem Grundprinzip schon wahre High-Tech-Weiterentwicklungen sind).

Zudem interessiert mich gar nicht die Lautsprechermembran als Verstärkungsinstrument

(die ich also auch noch weg-"reduce"),

sondern der zentrale Zusammenhang Magnet/Strom.

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Hier nun also unser selbstgebautes Handy, wobei

1. "Mikrofon" und "Lautsprecher" nachgebaut sind, also ein vollständiges "Handy",

2. also auf einen Strommesser statt des "Lautsprechers" verzichtet wurde, weil ein Strommesser auch wieder nur ein geschlossen-fertig-unverständliches Gerät wäre (und dennoch im Prinzip wie ein Lautsprecher funktioniert):

Beginnen wir beim "Mikrofon" rechts:

• um eine dunkelgraue Klopapierrolle,

• die auf hellgrünen Ständern fest steht,

• ist eine goldene Spule gewickelt, in der,

• an blauen Bändern frei schwingend aufgehängt

• ein rot-grüner Magnet schwebt
  (also ohne Berührung mit der Klopapierrolle und dem Magneten).

Wenn ich nun mit der Hand den rechten Magneten horizontal bewege, entsteht in der Spule laut »rsted ein Strom.

Zu dessen Messung benutze ich natürlich kein Strom-Messgerät, von dem ich ja wiederum nicht weiß, wie es funktioniert

(ich vermute: genauso wie der "Lautsprecher" rechts).

Sondern ich leite den Strom eben in den identisch gebauten "Lautsprecher" links, in dem sich nun laut Faraday "wie von Geisterhand" der linke Magnet bewegen müsste.

(Bei der Konstruktion sind mir einige Probleme durchaus bewusst:

1. wechseln die hellblau eingezeichneten Stromrichtungen je nach Hin- und Herbewegung des rechten Magneten,

2. ist die Stromrichtung auch davon abhängig, wie rum ich die rechte Spule an die Kabel anschließe,

3. hängt davon auch ab, ob sich die beiden Magneten

• entweder aufeinander zu bzw. voneinander weg

• oder beide gleichzeitig nach links bzw. beide gleichzeitig nach rechts

bewegen.

4. müssen die beiden Magneten relativ weit auseinander sein, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen oder zumindest [im Vergleich mit der "Stromkraft"] nur gering.)

Bis hierhin habe ich "nur" mein Vorwissen eingesetzt.

Aber jetzt wäre ich doch gespannt, ob sich der linke Magnet tatsächlich "wie von Zauberhand" bewegt, wenn ich den rechten bewege (ob also die erzeugte Stromstärke reicht).

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Wenn wir derart ein Handy ein bisschen besser verstanden haben, ist das keine Kleinigkeit. Immerhin handelt der Zusammenhang Magnet/Spule von der Vereinheitlichung der elektrischen und der magnetischen zur elektromagnetischen Kraft, geht's hier also um einen der physikalischen Höhepunkte des 19. Jahrhunderts (Faraday , Maxwell ), wenn nicht gar der gesamten Physikgeschichte, denn unser "reduziertes" Handy ist sogar ein Schlüsselphänomen für die Relativitätstheorie:

"Um das alles entscheidende Prinzip der Relativität einzuführen, griff Einstein auf das Urphänomen der elektromagnetischen Induktion zurück, das Michael Faraday entdeckt hatte. Dieses Experiment hatte den Engländer erstmals auf den Gedanken gebracht, daß es eine Verbindung zwischen Licht und elektrischen Strömen geben könnte - schon das eine revolutionäre Annahme. Nun benutzte es Einstein zu einer zweiten, ebenso folgenreichen Hypothese. Erinnern wir uns, daß ein Strom in einer Spule entsteht, wenn ein Magnet relativ zu ihr bewegt wird. Doch, so fragte sich Einstein, was wird in einem solchen Experiment wirklich bewegt, der Magnet oder die Spule?
Zur Klärung der Situation führen auch wir ein Gedankenexperiment durch. Stellen wir uns eine ringförmige Raumstation im All vor. Ihre Metallhaut ist ein guter elektrischer Leiter. Auf diese Station fliegt ein Raumschiff zu, das eine Besonderheit aufweist: man hat es zu einem riesigen, zylinderförmigen Magneten gemacht. Sein eines Ende bildet den magnetischen Nordpol, das andere den Südpol. Das magnetische Raumschiff nähert sich der Station und saust mit großer Geschwindigkeit durch ihre zentrale Öffnung. Auf der Station mißt man einen starken Stromstoß in der Metallhaut. Warum? Nach dem Faradayschen Gesetz ist der Stromstoß auf ein elektrisches Feld rückzuführen, das die Bewegung des Magneten in der Umgebung der ringförmigen Raumstation erzeugt. Die Wissenschhaftler in der Raumstation rechnen eifrig vor sich hin und stellen fest: jawohl — Experiment und Theorie decken sich. Doch nehmen wir nun die Perspektive der Raumschiffbesatzung ein. Sie hat sich [aus ihrer eigenen Sicht] überhaupt nicht bewegt, sondern die Raumstation ist auf sie zugeflogen. Als diese vorbeischießt, sagen die Wissenschaftler an Bord des Schiffes einen Stromstoß der Station voraus, dessen Stärke sie exakt bestimmen, aber sie erklären seine Herkunft ganz anders als die Wissenschaftler in der Raumstation. für die Besatzungsmitglieder des Raumschiffes wird der Strom durch die Bewegung von Teilen (Elektronen) in der Haut der Raumstation bewirkt, auf die nicht ein elektrisches Feld einwirkt (wie die Wissenschaftler der Raumstation behaupten), sondern lediglich magnetische Kräfte. Wer hat recht? Geht der Stromstoß auf die Einwirkung elektrischer oder magnetischer Kräfte zurück?
Offensichtlich läßt sich das nicht entscheiden, und praktisch spielt es auch keine Rolle, welchen Standpunkt wir einnehmen, weil in beiden Fällen ein Stromstoß erzeugt wird. Doch in bezug auf die Ursachen des Stromstoßes, die wir angeben, gibt es einen Riesenunterschied. Aus der einen Perspektive schreibt Maxwells Theorie des Elektromagnetismus den Strom der Wirkung eines Magnetfeldes zu, während sie im anderen Fall die Wirkung auf ein elektrisches Feld zurückführt."
(Arthur Zajonc)

        

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PS:

nur ein weiteres Beispiel für : was ist bzw. wie funktioniert ein Klavier?:   + So ein Klavier ist mörderisch schwer (die armen Mitarbeiter eines Umzugsunternehmens, wenn sie es z.B. in einen dritten Stock wuchten müssen!). Und selbst wenn man es völlig abnagt (die komplette „Verpackung“ wegwirft), bleibt doch das Schwerste übrig, nämlich der eiserne Gussrahmen, auf dem die Saiten gespannt sind, die eine Zugkraft von 20 Tonnen (!!!) ausüben. Und von der Klaviatur ist nur eine einzige Oktave übriggeblieben (plus rechts zwei weitere Tasten, um rechts einen glatten Abschluss zu bekommen). Zudem wurde die Dämpfung der Saiten weggelassen, da die Anschlagsmechanik auch ohne diese Dämpfung schon kompliziert genug ist. Nebenbei: ein Klavier besteht aus bis zu 6000 Teilen (und ist ein feinmechanisches Meisterwerk). Schon allein deshalb muss zwecks Verständnis kräftig ausgemistet werden.