Untertitel: Der Strom kommt aus der Steckdose
Generatoren beeinflussen unser Leben enorm, denn ohne diese käme kein Strom aus der Steckdose.
Das Prinzip eines Generators ist einfach erklärt: Er wandelt mechanische in elektrische Energie um. Aber wie funktioniert das im Detail? Man nutzt die Induktion aus. Dazu muss man den magnetischen Fluss in einer Leiterschleife oder Spule irgendwie ändern {F1). Das kann man erreichen, indem man einen Magneten in der Spule hin und her schiebt (Abb. 31.31) oder die Fläehe einer Leiterschleife verändert (Abb. 31.30). Das ist natürlich nicht sehr praktikabel. Man ist aber auf die geniale Idee gekommen, eine Leiterschleife rotieren zu lassen, denn auch dabei ändert sich der magnetische Fluss. Abb. 32.3 zeigt das Prinzip eines solchen Generators, mit dem man auf elegante Weise Wechselstrom erzeugen kann. Jeder konventionelle Generator arbeitet nach diesem Prinzip.
| Modell eines einfachen Generators: Die rotierende Schleife erzeugt Induktionsspannung und Induktionsstrom, die über zwei Schleifringe abgenommen werden. |
In der Praxis verwendet man allerdings nicht eine rotierende Leiterschleife, sondern eine Spule. In jeder einzelnen Wicklung entsteht ja dieselbe Induktionsspannung. Wenn du also eine Spule mit 1000 Wicklungen verwendest, wird auch die Spannung vertausendfacht. Nach diesem Prinzip funktionieren der Dynamo eines Fahrrades oder die Lichtmaschine eines Autos.
| Modell eines dynamo-elektrischen Großgenerators. Im Gegensatz zu obiger Abb. rotiert hier der Magnet. Dieser wird mit dem Strom versorgt, den der Generator selbst erzeugt. Dazu muss der Wechselstrom allerdings vorher gleichgerichtet, also in Gleichstrom umgewandelt werden. |
Es gibt aber noch einen zweiten Trick. Statt Permanentmagneten, die nur ein relativ schwaches Magnetfeld erzeugen, verwendet man bei Hochleistungsgeneratoren Elektromagnete (Abb. 32.7). Der Clou an der Sache: Diese kann man mit dem Strom speisen, den der Generator selbst erzeugt. Das nennt man das dynamoelektrische Prinzip, und diese Erfindung wird Werner Von Siemens zugeschrieben. Erst damit war der Einsatz von leistungsfähigen und wirtschaftlichen Großgeneratoren möglich, mit denen man ganze Städte mit Strom versorgen kann. So befinden sich etwa in den Laufkraftwerken der Donau Generatoren, die Leistungen von vielen Millionen Watt aufbringen können.
In manchen Fällen benötigt man aber Gleichstrom, etwa um den Elektromagneten eines Generators zu versorgen (Abb. 32.7) oder um eine Autobatterie aufzuladen. Wie schafft man es aber, von Wechselstrom auf Gleichstrom zu kommen? Zum Beispiel mit Halbleiter-Dioden. Diese lassen den Strom nur in eine Richtung durch. Mit Hilfe einer speziellen Schaltung kann man aus Wechselstrom einen „pulsierenden“ Gleichstrom erzeugen (Abb. 32.10). Wenn man mehrere solcher Ströme überlagert, kann man eine noch bessere Glättung erreichen (siehe Kap. 32.4).
| Mit einer solchen Schaltung aus 4 Dioden kann man einen „pulsierenden“ Gleichstrom erzeugen. Die Pfeile der Schaltsymbole zeigen die technische Stromrichtung an. |
Elektromotoren sind so sehr in deinen Alltag integriert, dass du sie nicht bewusst wahrnimmst. Du findest sie im CD-Player, in Straßenbahn und U-Bahn, in der elektrischen Zahnbürste, beim Drehteller der Mikrowelle, im Bohrer, in der Elektrosäge, im Mixer, im Staubsauger, im Aufzug, oder bei Starter und Scheibenwischer eines Autos, um einige Beispiele zu nennen (F4). Das Prinzip eines Elektromotors ist immer dasselbe: Er wandelt elektrische in mechanische Energie um. Er ist somit die exakte Umkehrung eines Generators.
| Modell eines Universalmotors nach dem dynamo-elektrischen Prinzip. Die schwarzen Pfeile zeigen die Richtung der Lorentzkraft an (überprüfe!). Dieser Motor läuft auch mit Wechselstrom. |
Obwohl das Prinzip immer gleich ist, gibt es eine verwirrende Vielzahl von Bauformen. Abb. 32.11 zeigt einen Universalmotor, der mit Gleich- und Wechselstrom betrieben werden kann. Das wird durch den geteilten Schleifring möglich, den man Stromwender oder Kommutator nennt. Dadurch erfolgt nach jeder halben Drehung eine Umpolung, und die Bewegungsrichtung bleibt gleich. Würde man die Leiterschleife zum Rotieren bringen, dann wirkt dieser Motor wie ein Generator (der pulsierenden Gleichstrom erzeugt). Das zeigt sehr schön, dass Elektromotor und Generator ein umgekehrtes Funktionsprinzip aufweisen. Abb. 32.12 zeigt den einfachsten Elektromotor der Welt. Er hat zwar keine praktische Bedeutung, aber man sieht direkt das Prinzip der Energieumwandlung.
| Der einfachste Elektromotor der Welt besteht nur aus einer Batterie, einer Eisenschraube (sie ist quasi die Leiterschleife), einem Supermagneten und einem Stück Draht. |
Die Leistung von Elektromotoren kann extrem unterschiedlich sein, vom Motor einer Spielzeug-Lok mit einigen wenigen Watt bis zu dem einer Taurus-Lok mit sagenhaften 6,4 Millionen Watt (F5). Ihre Leistung entspricht der von etwa 10F1-Boliden oder 170 Smarts. Im Straßenverkehr werden Elektromotoren in Zukunft hoffentlich eine größere Rolle spielen, etwa bei den umweltschonenden Hybridautos.