Informationen über die wichtigsten Fachbegriffe der Kabeltechnik!

Diese Einträge erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Es gibt viele weitere Parameter und Fachbegriffe in der Elektrotechnik die das Thema „Kabel“ und die Wechselwirkungen der verschiedensten Parameter – selbstverständlich auch in Abhängigkeit von einander – auf den Klang und das Verhalten aller angeschlossenen Komponennten erklären helfen. Dieses Thema ist viel komplexer als viele Anwender glauben möchten. Nur auf den ohmschen Widerstand zu verweisen und alle anderen Erklärungen als Voodoo abzutun, zeugt von mangelnder Kompetenz!

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Ableitung – Abschirmung – Anschlüsse – Antennenwirkung – Dielektrikum – Elektrostatik – EMK – Gegen-EMK – Formgebung – Impedanz – Induktivität – Kapazität – Kristallstruktur – Laufrichtung – Magnetfeld – Material – Mikrofonie – Oberfläche – Piezoelektrik – Querschnitt – Skineffekt – Steckverbindungen – Stromkreis – Triboelektrischer – Effekt – Wellenwiderstand – Widerstand

Ableitung

Die Ableitung (Formelzeichen = G, elektrische Einheit = Siemens).
Alle Kabel besitzen eine Isolierung. Das Material der Isolierung bewirkt eine Ableitung. Diese Ableitung wird als Umkehrung des Isolationswiderstandes angesehen. Wenn eine Spannung angelegt wird, kann ein geringer Strom durch die Isolierung fliessen. Bei der Berechnung der Zeitkonstante (eine rechnerische Kabelgröße) spielt die Ableitung eine wesentliche Rolle.

Abschirmung

Abschirmungen können ebenfalls laufrichtungsbezogen unterschiedlich wirken. Ihre Wirkung ist von einigen Faktoren abhängig. Sind sie selbst durch das Nutzsignal von Strom durchflossen (z.B. Antennenkabel, HF-Kabel) oder nicht, sind sie einseitig oder an beiden Enden angeschlossen, oder werden nur Störsignale abgeleitet. Diese Störsignale können sich in den inneren Leiter einkoppeln (Stichwort: Kopplung). Es gibt Rohr- oder Folienabschirmungen aus Kupfer oder Aluminium mit 100% Bedeckungsgrad oder Geflecht aus Kupfer, versilbertem Kupfer, leitfähigen Kunststoffen, auch Kombinationen aus Alufolie mit leichtem Kupfergeflecht. Die Vielfalt ist überraschend und ebenso sind die Ergebnisse unterschiedlich. Dass der Schirm elementar in das elektrische Feld um den Leiter einwirkt, ebenso in das mechanische Verhalten des Kabels, hat einen bedeutenden Einfluss auf das Gesamtverhalten des Kabels. Wo bei quasi-symmetrischen Leitungen der Schirm aufgelegt wird, ist von Anwendung und Kabelmaterial so wie vom Aufbau abhängig. Bei Koaxialkabeln ist der Schirm gleichzeitig Rückleiter für das Signal und Masseverbindung. Bei mehradrigen Aufbauten übernimmt ein zum Signalleiter gleichberechtigter Draht die Rückleitung und der Schirm wird an der Quelle oder am Eingang der nachfolgenden Stufe angeschlossen. Auch ohne Anschluss wirkt der Schirm auf das elektrische Feld des Kabels und kann – z.B. bei RALIC Lautsprecherkabeln – den Klang positiv beeinflussen.
Für die Abschirmwirkung ist die Qualität des Schirms entscheidend. Von Bedeckungsgrad (Maximum 100%), Wandstärke und elektrische Materialparameter bis hin zur Kristallstruktur, um selbst kleinste Komponenten elektromagnetischer Wellen von den Leitern des Nutzsignals zurückzuhalten.

Anschlüsse

Anschlüsse wie Buchsen und Stecker bringen zusätzliche komplexe Metallverbindungen ein, ob gequetscht / gekrimpt oder verlötet (auch verschweißt). Immer gibt es einen Übergang verschiedener Materialien und damit verbundene Thermospannungen (siehe unten) und Vibrationen der mechanischen Teile mit Variation der Übergangswiderstände. Die flächigen Kontakte ermöglichen Wirbelstromverluste, die Nickelschicht (auch unter der oft. galvanisch aufgebrachten Vergoldung) wird verdächtigt, magnetische Verzerrungen einzuführen. Mit einem punktförmigen Massekontakt und einem vorn eingelöteten Kabel reduziert man diese Problematik. Verschiedene Maßnahmen ergeben oft deutlich hörbare Unterschiede im Klang.

Antennenwirkung

Alle Kabel wirken wie Antennen. Sie fangen fremde elektromagnetische Felder ein. Man schützt sie oft mit einer Abschirmung, die unterschiedlich aufgebaut sein kann und das Ergebnis mehr oder weniger stark beeinflusst. Gegen Magnetfeldeinflüsse werden die Kabel verdrillt, gegen elektrische Felder mit Geflecht oder Folie geschirmt. Ein massiver Kupferschirm kann begrenzt auch gegen magnetische Komponenten schirmen, wenn er dick genug ist.

Dielektrikum

Die Leiter eines jeden Lautsprecherkabels sind mit einer Isolierung ummantelt, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Diese Isolation (Dielektrikum) führt unweigerlich zu Verfälschungen, weil alle Dielektrika Energie absorbieren. Diese dielektrischen Verluste werden als Verlustfaktor oder Tan delta bezeichnet und nehmen mit der Frequenz zu. Pauschal gilt: je höher der Verlustfaktor bei einer bestimmten Frequenz, um so höher ist der Verlust in das Dielektrikum.
Eine weitere Eigenschaft des Dielektrikum heißt Permutivität, ein kapazitiver Effekt, der zu einem Leckstrom zwischen den Einzelleitern führt. Die Permutivität beschreibt, in welchem Maße ein Dielektrikum das Entstehen eines Magnetfeldes zuläßt. Je höher die Permutivität eines Isolators, um so höher sind seine kapazitiven Effekte auf den Leiter. Offensichtlich wird die Kapazität eines Kondensators (oder eines isolierten Leiters) durch die Materie im elektrischen Feld verstärkt. Man nennt dieses Phänomen Permutivität und bringt das Verhältnis zwischen Dielektrikum und Kapazität in der Permutivität bzw. der Dielektrizitätskonstante (ε) zum Ausdruck.

EMK

Elektromotorische Kraft (hier nicht galvanisch)

Wenn sich in einer von Wechselstrom durchflossenen Spule ein niederfrequent pulsierendes Magnetfeld aufbaut, so wird in dem näheren Raum um diese Spule jegliches Stück Materie von diesem Feld erfasst. Es bildet sich dabei eine sogenannte elektromotorische Kraft aus. Die elektromotorische Kraft kann elektrische Ladungsteilchen bewegen. Diese elektromotorische Kraft hat eine genau definierte Richtung, nämlich genau senkrecht zu den magnetischen Feldlinien. Das gilt im Prinzip für jeden von Strom durchflossenen Leiter also auch für ein Kabel.

Gegen-EMK

(Transienten)

Lautsprecher stellen eine sehr komplexe Last dar und erzeugen unerwünschte Rückwirkungen auf den Verstärker (Gegen-EMK). Das passiert z.B. bei plötzlichen Amplitudenwechseln, wenn die Lautsprechermembrane “überschwingt”. Wie stark dieses Überschwingen stattfindet, hängt von der gemeinsamen Fähigkeit des Lautsprecherkabels und des Verstärkers ab, diese zu “dämpfen” und unerwünschte Schwingungen zu kontrollieren. Lautsprecherleitungen müssen so konstruiert werden, dass sie einerseits hohe Leistungen verlustarm übertragen können und andererseits die im Lautsprecher entstehende Gegen-EMK zusammen mit dem Innenwiderstand des Verstärkers bedämpfen.

Elektrostatik

Der Elektrostatischer Effekt bewirkt eine Aufladung des Isoliermaterials. Es lädt sich gegenüber anderen Flächen auf (z.B. Teppichböden). Dies beeinflusst auch das Klangverhalten des Kabels. Mit zunehmender Länge steigt der Effekt an.

Formgebung

Auch die Form eines Kabels spielt eine Rolle, weil das elektrische Feld um den Leiter Einfluss auf die Elektronenbewegung und auf die Elektronendichte nimmt. Im Feld des gegenpoligen Leiters ist die Elektronenverteilung dichter.

Impedanz

(Scheinwiderstand)

Unter Impedanz versteht man einen Widerstand der sich aus einem statischen Anteil und einem nur in Reaktion auf ein Wechselspannungsfeld messbaren Widerstandsteil ergibt. Bei einem Kabel wäre dies der im Ruhezustand messbare Leiterwiderstand und der Isolationswiderstand auf der einen Seite, die frequenzabhängigen Widerstände von Kapazitäten und Induktivitäten auf der anderen Seite.
Da die Impedanz generell nur bei anliegender Wechselspannung messbar ist, wird sie auch als Scheinwiderstand bezeichnet.
Vom Scheinwiderstand deutlich abzugrenzen ist der Wellenwiderstand. Dieser bezieht sich ausschliesslich auf die frequenzabhängigen Komponenten wie Kapazitäten und Induktivitätenim Hochfrequenzbereich (über 100kHz). Dort verlieren die statische Komponenten wie Leiterwiderstand und Isolationswiderstand auf Grund ihrer geringen Grösse im Verhältnis zum kapazitiven und induktiven Widerstand ihre Bedeutung.

Induktivität

Die Induktivität (Formelzeichen = L, elektrische Einheit = Henry).
Wenn Strom durch einen Leiter fliesst, wird ein Magnetfeld aufgebaut. Mit zunehmender Länge eines Leiters steigt die Induktivität an, wobei es in der Regel zu Höhenverlusten kommt. Auch ein einzelner Leiter hat diesen Effekt, bei zwei Leitern ist die eingeschlossenen Fläche (Abstand zwischen den Leitern) mitentscheidend. Die äussere Induktivität wird von der Leitungsgeometrie und den magnetischen Werkstoffeigenschaften bestimmt und ist von Frequenz und Stromstärke unabhängig. Die innere Induktivität wird durch Stromfluss und Magnetfeld beeinflusst. Bei hohen Frequenzen nimmt die Induktivität ab.

Kapazität

Die Kapazität (Formelzeichen = C, Elektrische Einheit = Farad, typische Werte für Kabel im Bereich 30-300 pF/m).
Wenn eine Spannung angelegt wird, fliesst erst einmal der Strom, der die Kapazität auflädt, bis die Spannung erreicht ist. Mit zunehmender Länge steigt die Kapazität an, der benötigte Strom zum Umladen der Kapazität steigt. Bei hochohmiger Ansteuerung ergibt sich ein Brillanzverlust (besonders wichtig bei Cinchkabeln). Bei Lautsprecherkabeln führt eine hohe Kapazität zu Phasendrehungen beim Ausgangssignal, worauf manche Verstärker mit Schwingneigung reagieren und überhitzen. Die Kapazität eines Kabels steigt mit der Größe der Fläche und mit der Reduzierung des Abstandes der beiden Leiter zueinander.

Kristallstruktur

Wenn ein Strom fließt, müssen die Elektronen die Korngrenzen überwinden. Dadurch entsteht ein absoluter Spannungsverlust. Mit zunehmender Länge steigt der absolute Wert des Spannungsverlusts an, dabei entstehen zusätzliche Verzerrungen, die ähnlich wie Übernahmeverzerrungen bei Verstärkern die räumliche Wiedergabe beeinflussen. Durch den hohen Standard der industriellen Fertigung ist dieser Aspekt heute eher vernachlässigbar, vermutlich sind die Inhomogenitäten der Isoliermaterialien bedeutender für den Klang. Spezielle Gußmethoden bei der Kabelherstellung mit langsamer Kühlung (Ohno-Stranggußverfahren) sorgen für lange Kristallausbildung.

Laufrichtung

Kabel haben eine Laufrichtung, die sich mit der fertigungsbedingten Veränderung der Kristallstruktur und mit dem Zusammenlegen / Verseilen erklären lässt. Auch muss bei scheinbar symmetrischem Aufbau berücksichtigt werden, dass eine Kapazität zwischen dem Pluspol und allen anderen umgebenden Materieteilen sich anders verhält, als der Minus / Massepol gegenüber umgebender Materie (die als Masse / Erde aufgefasst werden darf) gleicher Polarität. Von Symmetrie im Verhalten kann also oft keine Rede sein, weil die Beschaltung der Elektronik unterschiedliche Reaktion / Probleme einbringt (Beispiel Lautsprecherkabel). In letzter Zeit verdichten sich die Meinungen, daß das Einspielen die Laufrichtung ebenfalls prägt.

Magnetfeld

Das Magnetfeld umgibt die Elektronenbewegung und den Leiter, sobald ein Strom fließt. Deshalb haben auch gerade ausgelegte Leiter eine Induktivität. Diese Induktivität nimmt zu, sobald Schleifen im Stromweg entstehen, bis hin zur Spule mit mehreren Windungen. Deshalb bauen Kabel beim Stromdurchfluss ein Magnetfeld auf. Im Rückleiter fließt derselbe Strom mit gegensinnig orientiertem Magnetfeld. Zwischen den Leitern wirken also magnetische Kräfte, die das Isoliermaterial mechanisch belasten. Die Festigkeit des Isoliermaterials hat einen Einfluss auf das dynamische Verhalten.
Die Einheit des Stroms ist definiert : 1 Ampere entspricht einem Strom durch zwei 1m lange parallele Leiter, der eine Kraft von 2 x 10 E-7 Newton zwischen den Leitern hervorruft (im Vakuum). Die Kraftwirkung des Stroms ist die Bezugsgröße!
Um den Kräften zu begegnen, werden die Leiter verwendelt, verdrallt oder verflochten. Damit gibt es einen festeren Zusammenhalt.
Der Windungssinn, also ob die Leiter links oder rechts herum verdrillt sind, hat einen Einfluß auf die Induktivität. Rechts oder links herum verdrillte, identische Leiter können in Audioanwendungen also unterschiedlich klingen.
Das Verwendeln (der Hin-und Rückleiter) hat bei Audiokabeln auch eine größerer Immunität gegenüber externen Magnetfeldern zur Folge. Die Litzendrähte eines Stranges sind in der Regel ebenfalls untereinander verdrillt. Verseilt man dann die Leitungen für Links und Rechts, reduziert man die eingeschlossene Fläche und die Empfänglichkeit der Masseleitungen gegenüber Brummeinstreuung in der Nähe stehender Transformatoren. Damit bietet das Verwendeln vielfache Variationsmöglichkeiten und eine entsprechende Vielfalt bei den Kabeln.

Material

Kupfer ist in vielen unterschiedlichen Qualitäten erhältlich, von „reinem“ Kupfer spricht man, wenn in 1 Meter eines Kupferleiters ca. 4.500 Kupferkristalle enthalten sind. Der Strom muss dabei jeweils die Grenzen dieser Kristalle überschreiten, wobei Verzerrungen entstehen, die denen gleichen, die beim Springen des Stromes in gebündelten Litzen entstehen. Die erste Qualitätsstufe über dem hier beschriebenen Kupfer ist Sauerstoff freies, hochleitendes Kupfer (OFHC). Die Art, wie diese Leiter gezogen werden, reduziert die Sauerstoffanteile auf ca. 40 ppm (im Vergleich zu ca, 235 ppm bei normalem Kupfer). Der geringere Sauerstoffanteil reduziert die Oxydation zwischen den Kupferkristallen beträchtlich und vermindert die auftretenden Störungen. Zusätzlich gelingt es bei diesem Kupfer, die Anzahl der Kristalle zu Vierteln, was wiederum die Störungen reduziert. Der Klang eines OFHC Kupferkabels ist weicher, sauberer und dynamischer als das gleiche Kabeldesign mit hoch reinem Standardkupfer.

Mikrofonie

Kabel erfahren mechanischen Druck im Schallfeld und reagieren mit Mikrofonie. Wenn es zusammengedrückt wird, steigt die Kapazität, (daher – bitte nie auf die Verbindungen treten, oder schwere Möbel drauf stellen. Weil der Abstand der Pole sich verringert, sinkt die Spannung bei gleicher Ladungsmenge (U=Q/C). Mit zunehmender Länge steigt die Problematik der Mikrofonie an, weil mehr Masse in Bewegung ist, Energie speichert und verzögert bzw. träger reagiert.

Oberfläche

Wenn ein elektrisches Signal angelegt wird, breitet sich eine elektromagnetische Welle entlang der Leiteroberfläche mit Lichtgeschwindigkeit aus. Das Feld dringt in den Leiter mit begrenzter Geschwindigkeit ein und setzt die Elektronen in Bewegung. Mit zunehmender Frequenz bekommt die Oberfläche relativ zum Querschnitt wachsende Bedeutung, da sie mit dem Radius nur linear zunimmt, der Querschnitt sich dagegen quadratisch entwickelt (Doppelter Durchmesser = doppelte Oberfläche, aber vierfacher (!) Querschnitt). Dicke Kabel übertragen daher weniger „Höhen“, weil in der verringerten, von Elektronen durchflossenen Schicht ihr Widerstand zunimmt. Siehe auch Skineffekt !

Piezoelektrik

In jedem Kabel finden piezoelektrische Effekte statt. Sie erzeugen selber Spannungen aus Verunreinigungen des Isoliermaterials mit Wasser (Luftfeuchtigkeit). Deshalb versiegeln manche Hersteller die Leitungen auf der Rolle bzw. die Stecker nach dem Anlöten. Mit zunehmender Länge steigt das Risiko der Piezoeffekte an.

Querschnitt

Kabel haben einen Querschnitt. Wenn ein Strom fließt, baut sich ein Magnetfeld auf. Im Eigenmagnetfeld drängen die Elektronen nach außen. Mit zunehmendem Querschnitt steigt die Inhomogenität der Stromverteilung (Zentrum / Oberfläche) an. (Stichwort: Lorentzkraft).

Skineffekt

Der Skin-Effekt beschreibt ein Phänomen, welches seine Bedeutung aus der Hochfrequenztechnik herleitet: Durchfließt Wechselstrom einen Leiter, induziert das Wechselmagnetfeld eine elektromotorische Kraft (EMK). Die EMK führt zur Abnahme der Stromdichte im Leiterinneren hin zur Leiteroberfläche. Das Ergebnis ist ein Anstieg der Kabelimpedanz zu hohen Frequenzen.
Außerhalb von Strom durchflossenen Leitern baut sich ein Magnetfeld auf (Induktion). Auch im Innern eines Leiters baut sich ein Magnetfeld auf und wechselt periodisch seine Richtung. Durch die Änderung des Magnetfeldes werden aber Ströme erzeugt, die das Magnetfeld ringförmig umschließen. Dadurch schwächen sie den Primärstrom im Innern des Leiters nahe der Mittelachse, während sie die Wirbelströme in der Nähe der Oberfläche den Primärstrom verstärken. Wechselströme werden durch die Bildung von Wirbelströmen im Leitungsinnern zur Leiteroberfläche verdrängt. Dieses Phänomen bezeichnet man als Skineffekt.
Je höher die Frequenz ist, desto stärker ist dieser Skineffekt ausgeprägt. Der Skineffekt verkleinert den effektiv genutzten Leitungsquerschnitt. Um den Skineffekt so klein wie möglich zu halten, werden in der HF- Technik Leiter mit möglichst großer Oberfläche eingesetzt ( HF- Litze, Bandleiter usw.). Siehe auch Oberfläche !

Steckverbindungen

Stecker & Verbindungen werden meist aus Metalllegierungen gefertigt. Es wird, was das Material eines Steckverbinders angeht, sehr viel philosophiert. Das wichtigste an einem Stecker ist die Verwendung bester Materialien. Er muss die Adern sicher aufnehmen und eine 100% Schirmung garantieren. Die Übergangswiderstände sind bei hochwertigen Steckern extrem gering. Sie zeichnen sich durch eine vernüftige Zugentlastung und gutes, sicheres Handling aus.

Stromkreis

Kabel kommen selten einzeln. Damit Strom fließt, muss der Stromkreis geschlossen sein. In praktischen Anwendungen sind Kabel daher zwei- oder mehradrig, nebeneinander oder koaxial angeordnet. Viele Kabel sind mehradrig und für die Lage der einzelnen Adern gibt es je nach Anwendung spezielle Regeln. Einerseits bestimmen die Magnetfelder um die Leiter und zwischen den beiden Strom durchflossenen Leitern den Aufbau, andererseits sind die elektrischen Felder um die Leiter für das Kabeldesign entscheidend. Unterschiedliche Beschaltung derselben mehradriger Leitungen führt in der Regel zu unterschiedlichen Ergebnissen. Mit dem ausgesuchten Querschnitt, der Anzahl und der Verwendelungen gibt es unterschiedliche Gesamtverluste. Das Ziel ist es, die Leiter so im gemeinsamen Feld zu führen, dass der übliche Verlust minimal bleibt. Die Leiter bestehen aus Metallen wie Kupfer, Silber, Aluminium oder Gold, entweder in höchster Reinheit, in Mischungen oder Kernleiter mit Überzug geeigneter Metalle. Oxide, Einschlüsse, Risse, Inhomogenitäten wirken sich negativ auf die geradlinige Elektronenbewegung aus.
Mit zunehmender Länge (auch Dicke) steigen die Wirbelstromverluste an. Verblüffenderweise klingen manche Kabel aber besser, wenn sie länger sind (berechenbar und auch meßtechnisch nachweisbar).

Triboelektrischer – Effekt

Kabel erzeugen selber Spannungen aus Reibung des Isoliermaterials mit dem Leiter. Mit zunehmender Länge steigt vermutlich das Risiko der triboelektrischen Effekts an. Es tritt auf, wenn Kabel bewegt oder verformt werden.

Wellenwiderstand

Der Wellenwiderstand (Formelzeichen = R, elektrische Einheit = Ohm (meist 75 Ohm bei Digital- und Antennenkabeln).
Wenn ein Wechselstrom fließt, wird der Zeitablauf wichtig. Bei hohen Frequenzen kann eventuell die Umladung der Leitung schneller erfolgen als der Strom von der Quelle zum Verbraucher fließen kann. Um daraus resultierende Probleme zu vermeiden, kann man die Leitung anpassen, bei der Quelle wie beim Verbraucher. Trotz verschiedener Länge bleibt dieser Widerstand konstant und das Kabel verlustfrei. Da solche Konzepte mit Vorwiderstand arbeiten, findet man sie praktisch nicht bei Lautsprecherkabeln. Der Wellenwiderstand der Leitung wird bei typ. 100MHz angegeben und ist bei niedrigeren Frequenzen nicht konstant. Deshalb ist es nur sehr schwer möglich im Audiobereich eine ideale Anpassung zu finden.
Im HiFi-Bereich ist der Wert nur bei Antennenkabeln und bei Digitalkabeln besonders wichtig.

Widerstand

Kabel haben einen Widerstand (Formelzeichen = R, elektrische Einheit = Ohm).
Wenn ein Strom fließt, entsteht an jedem Widerstand – also auch in Kabeln – ein Spannungsabfall. Je höher der Widerstand, desto größer ist der Spannungsabfall. Mit zunehmender Länge eines Leiters steigt der Widerstand an. Deshalb hält man kurze Kabel für besser (auch hierbei gibt es Ausnahmen). Man versucht auch über große Querschnitte den Widerstand gering zu halten. Das hat aber teilweise unerwünschte Nebeneffekte. Der rein ohmsche Widerstand ist nur bei Gleichstrom konstant. Bei Wechselstrom ist der Wellenwiderstand ausschlaggebend.

Noch einmal!

Diese Einträge erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Es gibt viele weitere Parameter und Fachbegriffe in der Elektrotechnik die das Thema „Kabel“ und die Wechselwirkungen der verschiedensten Parameter – selbstverständlich auch in Abhängigkeit von einander – auf den Klang und das Verhalten aller angeschlossenen Komponennten erklären helfen. Dieses Thema ist viel komplexer als viele Anwender glauben möchten. Nur auf den ohmschen Widerstand zu verweisen und alle anderen Erklärungen als Voodoo abzutun, zeugt von mangelnder Kompetenz!