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.

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).
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.
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
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:

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.

2)    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).

 

3)    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.

 

4)      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 gleichmäßigeren Stromfluß bzw. Leistungsabgabe und auf der Verbraucherseite, wenn ein ent­sprechender Drehstrommotor verwendet wird, eine weniger schwankende Leistungsaufnahme.
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.