Der Generator

Robert Niebuhr
Klasse 10 d
Physikreferat
Der Generator
Entdeckung der elektromagnetischen Wirkung:
Bereits vor mehr als 200 Jahren kamen Forscher auf die Idee, zwischen Elektrizität und Magnetismus könne eine
Beziehung bestehen. Aber erst im Jahre 1820 konnte der Däne Hans Christian Oersted diese Beziehung nachweisen.
Der Physikprofessor legte eines Tages zufällig einen Kompaß in die Nähe eines Drahtes, der elektrischen Strom
führte. Zu seiner Überraschung drehte sich die Kompaßnadel von ihrer Nord-Süd-Richtung fort und stellte sich quer
zum Draht. Der Versuch wurde mehrfach wiederholt, jedesmal mit dem gleichen Ergebnis. Er folgerte daraus, daß
ein Draht, durch den elektrischer Strom fließt, ein magnetisches Feld erzeugt.
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Wir können heute
einen einfachen
Versuch machen, der
obiges nachvollzieht
Diese drei Versuche
zeigen, daß sich das
Magnetfeld dreht,
wenn man die
Stromrichtung umkehrt.
Die Kompaßnadel
wird entsprechend
abgelenkt.
Entwicklung
der ersten
Strominduktion
:
11 Jahre später, also 1831, beschäftigte sich auch der Engländer Michael Faraday mit der Beziehung von
Magnetismus und Elektrizität. Er versuchte den umgedrehten Weg, mit Hilfe eines Magneten einen elektrischen
Strom in einem Draht hervorzurufen. Doch wie immer er den Draht in der Nähe eines Magneten bewegte, es gab bei
ihm zunächst keine nutzbaren Ergebnisse. Das lag zum Teil daran, daß sein Strom- oder Spannungsanzeiger ein mit
Draht umwickelter Kompaß war, der kleine Ströme nicht anzeigen konnte.
Schließlich führte eine Versuchsanordnung, die folgendermaßen aussah, zum Erfolg:
Den Spannungsanzeiger, einen Kompaß, hatte er parallel zur Nord-Südrichtung mit einem Draht mehrfach
umwickelt. Zwei seiner Stahlmagneten fügte er so zusammen, daß sie wie ein “V” aussahen. Er näherte diesen eine
Spule, und achtete dabei auf seinen umwickelten
Kompaß.
Da stellte er fest, daß sich die Kompaßnadel ein
wenig drehte. Er hielt die Spule an, und die Nadel
drehte sich in ihre alte Lage zurück. Als er die Spule
nun wieder entfernte, drehte sich die Nadel wieder,
aber in die andere Richtung. Dies bedeutete, daß sich
beim Kompaß ein magnetisches Feld gebildet haben
mußte. Es konnte nur durch den Strom erzeugt
worden sein, der in der Spule entstanden war.
Er hatte es somit geschafft, mittels eines Magnetfeldes einen elektrischen Strom in einen Draht zu
“induzieren”(einzuführen).
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Möglich wurde es durch drei wichtige Verbesserungen an seiner Apparatur:
•
•
•
Durch die “V”-Anordnung der Magnete waren sich die Pole näher, die Feldlinien lagen enger beieinander.
Man hätte auch einen Hufeisenmagneten nehmen können bzw. 2 Stabmagnete, bei den sich ungleiche Pole
gegenüber lagen.
Dadurch, daß er mehr Draht, gewickelt zu einer Spule, in dem Magnetfeld bewegte, war die induzierte
Spannung größer. (Erklärung folgt später und Zeichnung)
Wie Oersted in der Zwischenzeit gezeigt hatte, ist das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule viel
stärker als jenes, das nur durch einen Draht verursacht wird. Dadurch war auch das den Kompaß
ablenkende Magnetfeld stärker als in den Anfangsversuchen.
Entwicklung von dieser ersten Induktion zum Generator:
Ein Ergebnis weiterer Versuche war die Tatsache, daß es keine Rolle spielt, ob sich ein Draht oder eine Spule in
einem Magnetfeld bewegen, oder ob sich der Magnet bewegt. Entscheidend ist allein die relative Bewegung
zueinander.
Schließlich konnte man auch das Gesetz formulieren, welches angibt, ob oder in welche Richtung sich induzierter
Strom bewegt:
“Bewegt sich ein Elektron im Magnetfeld rechtwinklig zu den Feldlinien, so wird es von einer Kraft beiseite
geschoben, die rechtwinklig zu seiner Bewegungsrichtung und zu den magnetischen Feldlinien wirkt.”
Dreifingerregel
Wenn man den Zeigefinger in Richtung der
Magnetlinien, von Nord nach Süd, und den
Daumen in die Bewegungsrichtung des Leiters
hält, zeigt der Mittelfinger an, in welche
Richtung der Strom fließt.
Also:
Z = Feldlinien / N-S
D = Bewegung
M = Stromrichtung
Man wollte nun die gewonnenen Kenntnisse
nutzen, um Strom zu gewinnen. Doch die direkte
Umsetzung der Versuchsanordnung von Faraday, das Hin- und Herbewegen eines Drahtes umzusetzen in den Bau
einer Maschine, war nicht sehr effizient. Man mußte sich also etwas besseres einfallen lassen und fand heraus, daß
die beste Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie jene war, wenn man von einer Drehbewegung
ausgeht.
Und dabei ist es bis heute geblieben.
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Einfacher Generator:
Der einfachste Generator, den man bauen kann, besteht aus drei wichtigen Teilen:
Das erste Teil, der Stator, ist im allgemeinen ein hufeisenförmiger Magnet, der - wie der Name schon sagt - fest
eingebaut ist. Zwischen seinen Polen dreht sich eine Drahtschlaufe oder Rotor. Die beiden Enden der Schlaufe
führen zu zwei Schleifringen auf der Drehachse. Sie sind voneinander isoliert, um Kurzschlusses zu vermeiden.
Metallfedern, die auf den Schleifringen aufliegen, dienen als Stromabnehmer.
Betrachten wir einmal, was passiert, wenn sich die Drahtschlaufe um 360° im Uhrzeigersinn bewegt.
Ausgangslage: links der Südpol, rechts der Nordpol, die Schlaufe steht senkrecht. [siehe Bild A]
Nehmen wir zunächst einmal den Teil der Schlaufe, der bei 0° unten steht.
Am Anfang der nun beginnenden Drehung durchschneidet die Schlaufe nur wenige Feldlinien, die Bewegung ist fast
parallel dazu. Folglich entsteht auch nur ein sehr geringer Elektronenfluß im Draht bzw. eine geringe Spannung an
den Schleifringen. Das ändert sich mit zunehmender Drehung und erreicht das Positivmaximum bei 90°. [Bild B].
Danach folgt eine spiegelbildliche Abnahme mit dem Minimum bei 180°.[Bild C]
Rotiert die Schlaufe nun weiter, so erfolgt eine Umkehrung der Bewegungsrichtung und damit der Stromrichtung. An
Hand der Dreifingerregel kann man das leicht nachvollziehen.
Bei 270° wird das Negativmaximum erreicht, 360° entsprechen der Ausgangslage.
Wieder Ausgangslage 0°: Der obere Teil der Schlaufe bewegt sich am Nordpol vorbei von oben nach unten (0° bis
180°). [Bild B] Der Elektronenfluß ist gleichsinnig, es kommt zu einer Verstärkung.
Ergebnis der Betrachtung:
Der oben beschriebene Generator erzeugt einen wechselnden Stromfluß,
bzw. eine Wechselspannung. Er heißt daher Wechselstromgenerator.
Verbesserungen des Generators:
Um den Strom zu verstärken, den der Generator
erzeugte, nahm man statt eines einfachen Drahtes als
Anker nun einen mehrfach gewikkelten, eine Spule.
Die einzelnen Drahtwicklungen müssen dabei aber
von einander isoliert sein, sonst würde ein
Kurzschluß entstehen. Früher mußte man noch
Drähte nehmen, die mit dünnem Seidengarn
umspannt waren. Das war aber nicht nur zu unsicher,
da das Garn leicht verrutschen konnte, sondern ganz
einfach zu teuer. Heute nimmt man daher Drähte, die
mit einer isolierenden Schicht (Lack) überzogen sind.
Wenn diese Schicht durch Alter, Temperatur oder
andere übermäßige Beanspruchung brüchig wird,
entsteht Kurzschluß, der Generator ist defekt.
Stromabnehmer können Metallfedern sein, oder
gepreßte Graphitstäbchen, die geringere Reibung haben, weniger Abrieb am Schleifring erzeugen und länger halten.
Den Vorteil, den der Elektromagnet gegenüber dem Dauermagneten brachte, nämlich ein stärkeres Magnetfeld zu
haben, nutzte man nun, um die Leistung des Generators zu erhöhen. Dafür mußte man zwar auch mehr Kraft
aufwenden, aber vorher war es einfach nicht möglich gewesen, stärkere Ströme zu produzieren. Anfangs nahm man
die Energie für den Elektromagneten aus einer Batterie. Diesen Vorgang nennt man Fremderregung, da etwas
“Generatorfremdes” das Magnetfeld aktiviert bzw. verstärkt. Doch da diese Batterien nur kurze Zeit hielten und
daher häufig auf komplizierte Weise ausgetauscht werden mußten, zweigte man später einfach etwas vom Strom ab,
den der Generator erzeugt hatte, und aktivierte ihn damit. Das wird Eigenerregung genannt.
Der Dynamo
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Im Dynamo passiert im Grunde das Gleiche wie in dem oben beschriebenen Wechselstromgenerator auch, nur daß
sich nicht eine Spule in einem Dauermagneten, sondern ein Dauermagnet in oder über einer Spule dreht. Der Strom
entsteht in den Spulen und kann direkt ohne Kollektor abgenommen werden. Der Dynamo ist damit wartungfrei.
Stromkreis eines Dynamo:
Der Gleichstromgenerator:
In manchen Bereichen der Technik konnte man
Wechselstrom nicht so gut oder gar nicht gebrauchen.
Deshalb wurde der Gleichstromgenerator gebaut. Beim
Wechselstromgenerator führt jedes Ende des
Ankerwicklung zu einem separaten Metallring. Beim
Gleichstromgenerator dagegen ist jedes Drahtende mit
einem halbkreisförmigen Metallring, dem Kommutator oder Kollektor verbunden. Zwei gegenüberliegende Federn oder Graphitstäbchen nehmen
den Strom ab. In dem Teil der Schlaufe, das sich im
Uhrzeigersinn drehend, am Nordpol vobeibewegt,
entsteht immer ein Strom weg vom Kommutator. Beim
Südpol ist es umgedreht.
Sinn der Konstruktion ist, bei Änderung der
Stromrichtung den Stromabnehmer zu wechseln.
Das bewirkt der Kommutator.
Verbesserung des Gleichstromgenerators:
Bei einer Viertelung des Kommutators und Stromabnahme im Bereich der durchschnittlich höchsten Spannung,
entsteht ein nur noch gering pulsierender Gleichstrom.
Zusammenfassung:
Bei jedem Generator kommt also am Spulenende bzw. Ankerende immer ein
wechselnder Strom an. Beim Gleichstromgenerator wechselt die Verbindung zum
Kabel, beim Wechselstromgenerator bleibt sie gleich.
Weitere Erkenntnisse, die in vielen Versuchen herausgefunden wurden:
1)
Die Spannung, die ein Generator liefert, hängt von drei wichtigen Faktoren ab:
- Von der Stärke des Dauermagneten (Rotor)
- Von der Anzahl der Wicklungen in der (den) Spule(n)
- Von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors.
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Dreht sich der Rotor schneller, erhöht sich damit auch die entstehende Spannung. Doch noch etwas anderes
wird durch die Umdrehungsgeschwingigkeit des Rotors verändert: Die Frequenz.
Das erklärt sich von alleine, denn ein Hertz(Hz), die Einheit für die Frequenz, ist definiert mit einer
Umdrehung pro Sekunde. Der Strom in Deutschland hat eine Frequenz von 50 Hz, das heißt, daß sich der
Generator 50mal pro Sekunde drehen muß. Wechselstrom ändert dementsprechend auch 100mal pro Sekunde
seine Stromrichtung. Eine besondere Bedeutung hat eine bestimmte Frequenz allerdings nicht, in Amerika gibt
es 60 Hz Strom. Wichtig ist allein, daß es in einem System (versch. Kraftwerke und viele Verbraucher
zusammengeschaltet) eine gleiche Frequenz gibt.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist in der Lenzschen Regel zusammengefaßt. Sie lautet:
“Eine Induktionsspannung ist stets so gerichtet, daß der Induktionsstrom der Ursache der Induktion
entgegenwirkt”.
Das heißt: Wenn z.B. ein Hufeisenmagnet in einer Spule pendelt, deren Enden über einen Draht oder einen
Verbraucher verbunden sind, so ruft diese Bewegung in der Spule einen Induktionsstrom hervor. Dieser
wiederum erzeugt in der Spule ein Magnetfeld. Da sich beim hin- und herpendeln des Magneten die
Stromrichtung ändert, ist auch jedes Spulenende abwechselnd Nord- und Südpol. Diese Pole sind so gerichtet,
daß sie die Bewegung des Hufeisenmagneten hemmen. Wäre dies nicht der Fall, würde eine der wichtigsten
Regeln der Physik, die goldene Regel der Energieerhaltung, nicht gelten. Sie sagt aus, daß Energie weder
vernichtet noch erzeugt werden kann. Würde das Magnetfeld der Spule die Bewegung des Magneten aber nicht
hemmen oder gar antreiben, hätten wir ein “Perpetuum Mobile”, eine Maschine, die sich ohne Energiezufuhr
immer weiter bewegen würde und sogar noch Energie abgäbe(den Induktionsstrom).
Wenn in einem Generator Strom, also elektrische Energie “erzeugt” werden soll, muß man natürlich auch
vorher eine andere Energieform dasein, die in Strom umgewandelt wird. Im Generator ist dies mechanische
Arbeit. Wie die Lenzsche Regel aussagt, muß man in einem Generator also einen Widerstand überwinden, um
den Anker zu drehen. Diese mechanische Energie kann natürlich nicht zu 100% in elektrische umgewandelt
werden. Es gibt zwar, wie bei allen mechanischen Vorgängen, Reibung, doch einen viel größeren Teil der nicht
mehr nutzbaren Energie stellt Wärme dar. In der Spule (den Spulen) fließt ja ein Strom, und dieser wandelt
sich selbst zu einem Teil wieder in Wärme um. Aus diesem Grund müssen Generatoren auch gekühlt werden.
Unser Haushaltsstrom hat 220V. Das ist aber nur die Durchschnittsspannung. Die Spitze liegt ca. 1,4 mal so
hoch, bei +310V und - 310 V. Ähnlich verhält es sich mit der durchschnittlichen, der Effektivstromstärke, für
die ein elektrisches Gerät ausgelegt ist.
Erklärung: Die wirksame, die Effektivspannung, die über eine Zeit t wirkt, ist die Fläche unter der
Spannungskurve geteilt durch die Zeit t.
Grafisch könnte man es vielleicht so erklären: Wenn die Spannungskurve aus den Spitzen vieler Säulen besteht
und man die langen Säulen kürzt und mit den Resten die kurzen verlängert, erhält man eine mittlere Länge.
Und die entspricht der mittleren, der Effektivspannung beim Wechselstrom.
Neben Wechsel- und Gleichstromgenerator gibt es noch einen Dritten:
Den Drehstromgegerator.
In den Spannungskurven
des Wechselstroms kann
man erkennen, daß in den
“Totpunkten” oder
“Nulldurchgängen” keine
Spannung und damit auch
keine Leistung vorhanden
ist. Um dieses Problem zu
lösen, hat man den
Drehstromgenerator
entwickelt. Beim ihm ist im
Prinzip alles genauso
aufgebaut wie im Dynamo,
allerdings gibt es nicht zwei
Spulen, an denen sich der Dauermagnet vorbeibewegt, sondern mindestens drei. Diese sind bei drei Spulen in einem
Abstand von jeweils 120° angebracht. Wenn sich der Dauermagnet nun von der ersten zur zweiten Spule bewegt,
baut sich bei der zweiten schon Spannung auf, bevor die von der ersten nachläßt; dies bedeutet einen
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gleichmäßigeren Stromfluß bzw. Leistungsabgabe und auf der Verbraucherseite, wenn ein entsprechender
Drehstrommotor verwendet wird, eine weniger schwankende Leistungsaufnahme.
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Der Elektromotor - Umkehrung des Generators
Viele Vorgänge in der Physik, die sich auf Energieformen
beziehen, sind umkehrbar. Wenn eine Kugel eine schiefe
Ebene hinuntergerollt ist, kann sie ihre Bewegungsenergie
nutzen, um z.B. eine andere Ebene wieder hochzurollen.
Oder Wasser, dem man Wärme, also auch Energie,
entzogen hat, kann man durch genau diese Energiemenge
wieder auf die Ausgangstemperatur bringen. (theoretisch)
Auch kann man, wie beim Generator gezeigt, mechanische
Energie in elektrische umwandeln.
Die Umkehrung dessen erledigt der Elektromotor. Er ist
fast genauso aufgebaut wie ein Generator, doch wandelt er
eben die elektrische Energie in kinetische (oder
mechanische) um.
Ähnlich wie ein Generator besteht auch ein Elektromotor,
- links in den drei Bildern ein Gleichstrommotor -, aus
einem Dauermagneten, einem Elektromagneten und
einem Kommutator. Den feststehenden,
hufeisenförmigen Dauermagneten nennt man Feldmagnet,
den drehbar zwischen dessen Polen gelagerten Magneten
Anker oder Rotor. Er besteht aus einem Eisenkern mit
einer Wicklung aus Kupferdraht. Fließt ein Strom durch
diesen Draht, baut der Anker ein magnetisches Feld mit
Nord- und Südpol auf. Der Nordpol des Ankers wird vom
Nordpol des Feldmagneten abgestoßen und von dessen
Südpol angezogen. Der Anker dreht sich also so, daß sein
Nordpol möglichst nahe am Südpol des Feldmagneten
liegt und sein Südpol möglichst nahe am Nordpol des
Magneten.
Doch nun kommt der Kommutator ins Spiel. In dem
Moment, wo sich der Anker genau grade zwischen die
Pole des Feldmagneten stellt, unterbricht er den Kontakt
zu ihm. Er wird jetzt von seinem eigenen Schwung
weitergetragen. Darauf stellt der Kommutator wieder
Kontakt her, doch fließt der Strom jetzt in der
umgekehrten Richtung. Das hat zur Folge, daß sich auch
das Magnetfeld umpolt. Der Nordpol wird Südpol und
umgekehrt. Jeder Arm des Ankers wird deshalb vom
anderen Pol des Feldmagneten angezogen und dreht sich
daher weiter.
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