Energiewandler – Generator und Motor

Hallo, hier ist wieder Doktor Psi. Heute wollen wir uns etwas mit den Energiewandlern Generator und Motor beschäftigen. Um die Wirkungsweise dieser Maschinen besser zu verstehen, wiederholen wir am Anfang ganz knapp einige Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Induktion. Daran schließt sich eine technische Anwendung der Induktion an, nämlich der Generator. Dazu behandeln wir das zugrundeliegende physikalische Prinzip, das Generatorprinzip. Dieses wird umgekehrt, und wir gewinnen daraus das Motorprinzip und behandeln einige Einzelheiten zu elektrischen Motoren. Beginnen wir also mit einer Wiederholung der Grundtatsachen der elektromagnetischen Induktion. Ja, du siehst dort eine Animation. In dieser Animation erkennst du einen Permanentmagneten mit Nord- und Südpol. Zwischen den beiden Polen befindet sich ein Magnetfeld und in diesem Magnetfeld dreht sich eine Leiterschleife. An den Enden der Leiterschleife befinden sich zwei Schleifringe und über diese zwei Schleifringe wird eine Spannung abgegriffen und an diesem Messgerät angezeigt. Der Zeigerausschlag entspricht einer induzierten Spannung in dieser Leiterschleife. Und auf der grafischen Darstellung kannst du sehen, das ist ein t-U-Diagramm, wie die Spannung parallel zu dem Zeigerausschlag grafisch dargestellt werden kann. Es geht also hier darum, dass bei der Drehung der Leiterschleife sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche ändert, und mit dieser Änderung ist eine Entstehung der Induktionsspannung verbunden. Wir können also mit den Worten der elektromagnetischen Induktion eine Grundaussage formulieren und diese Grundaussage wollen wir uns mal anschauen. “Ändert sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche der Leiterschleife, so wird an ihren Enden eine Spannung induziert, nämlich die Induktionsspannung.” Ja, dann wollen wir als nächstes über eine solche Maschine sprechen, die eine Spannung erzeugt. Ja, mit der eben dargestellten Anordnung wurde also eine Spannung erzeugt. Und nichts anderes macht ein Generator. Wenn also mithilfe mechanischer Energie-, hier siehst du zum Beispiel eine mechanische Energie in Form eines Handbetriebes, der die Leiterschleife antreibt. Wenn so die Rotationsbewegung erzeugt wird, wandelt diese Maschine die mechanische Energie in elektrische Energie um. Damit ist also unsere Maschine, die gleichzeitig ein Generator ist, ein Energiewandler. Also, ein Generator ist ein Energiewandler. Und dieser Vorgang der Energiewandlung, nämlich die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, wird als zugrundeliegendes physikalisches Prinzip bezeichnet, das wäre das sogenannte “Generatorprinzip”. Und dieses lautet eben einfach: “Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie”. Ja, nun müssen wir noch eine Kleinigkeit erwähnen: Im Prinzip haben wir, das haben wir im ersten Experiment gesehen, eine Wechselspannung, die von dem Generator erzeugt wurde. Wir brauchen aber oft eine Gleichspannung, wir brauchen also oft einen Gleichspannungsgenerator. Und dieser Gleichspannungsgenerator muss auf irgendeine Weise natürlich eine Gleichspannung erzeugen. Ja, wie funktioniert das? Nun, da gibt es einen Trick und dieser Trick beinhaltet, dass wir einen sogenannten Kommutator benutzen. Und dieser Kommutator, auf gut Deutsch heißt so ein Apparat Polwender. Wie funktioniert der? Nun, das siehst du an dieser Anordnung. Wir hatten vorher bei unserer Leiterschleife am Ende zwei kreisförmige Schleifen, und dort wurde die Spannung abgegriffen. Diese beiden Schleifen werden ersetzt oder wir können auch sagen, die beiden Schleifringe werden ersetzt durch einen einzigen Ring, der in der Mitte geteilt ist, also zwei voneinander isolierte Metallringe. Meist nimmt man dazu Kupfer. Du siehst hier diese beiden Ringe und an den Seiten dieser Halbringe wird die Spannung nun abgegriffen. Und wenn wir jetzt den Drehvorgang beobachten, sehen wir einen anderen Zeigerausschlag, nämlich eine sogenannte pulsierende Gleichspannung, und das bewirkt genau der Kommutator. Wenn nämlich bei der Wechselspannung, du erinnerst dich an diesen Verlauf, die Spannung gerade den Nullpunkt durchschreitet, tritt bei diesem Kommutator eine Wendung der Polarität der Spannung ein. Dann wird der untere Teil der Wechselspannungskurve umgeklappt, und wir sehen hier eine pulsierende Gleichspannung. Und als nächstes wollen wir noch einen kleinen Blick in den Generator, in das Innere eines Generators werfen. Ja, nun wollen wir ein paar Anmerkungen zu einigen technischen Details von Generatoren machen. Wir sehen hier eine Abbildung, die gewisse Hauptbestandteile unseres Generators enthält, und diese Hauptbestandteile sind einmal der Rotor und der Stator. Ich sage jetzt gleich etwas dazu. Wir sehen hier auf diesem Bild, dass auf der rotierenden Achse sich eine Spule befindet und außen ein, durch Nord und Süd gekennzeichnet, ein Magnetpol. Dieses Magnetfeld befindet sich außen und deswegen wird, wenn jetzt die Induktionsspule innen ist, Magnetfeld außen, so wird dieser Generator als Außenpolmaschine bezeichnet. Auf der anderen Seite sieht man ein etwas anderes Bild: Außen befindet sich die Induktionsspule, wir sehen, dass dort die induzierte Spannung abgegriffen wird, und innen drin befindet sich ein Rotor, der durch Nord und Süd gekennzeichnet ist, in der also mithilfe des Rotors das Magnetfeld in dem Bereich der Induktionsspule rotiert. Und hier ist also das Magnetfeld innerhalb, und deswegen heißt diese Maschine eine Innenpolmaschine. Damit gibt es also zwei Arten von Erzeugungsmöglichkeiten von Spannungen. Nun haben wir die ganze Zeit über den Generator geredet. Jetzt noch ein paar Anmerkungen zum Motor. Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Also, ein Motor ist auch ein Energiewandler. Und so, wie wir beim Generator ein Generatorprinzip formuliert haben, lässt sich auch hier ein Motorprinzip formulieren, nämlich genau das, was eigentlich dieser Satz beinhaltet: “Die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie”. Damit haben wir beide Prinzipien erläutert, nämlich einmal Generator - Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie - und beim Motor die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Und wenn du dir mal diese Animation hier ansiehst, dann erkennst du, dass diese Maschine eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Generator hat, wir haben hier bloß anstelle des Messgerätes eine Spannung angelegt. Und diese Spannung wird über die beiden Schleifringe zur Maschine geführt, und die Leiterschleife dreht sich. Warum die sich dreht, das kennst du sicherlich aus dem früheren Physikunterricht, hier wirken Lorentzkräfte, die dazu führen, dass die Leiterschleife sich eben im Magnetfeld dreht. Diese Ähnlichkeit zwischen den beiden Maschinen, Generator und Motor, lässt sich sogar noch präzise formulieren, nämlich dass Generatoren-, oder knapp formuliert: “Generator und Motor sind austauschbar”. Ich hoffe, wir sehen uns bald wieder bei einem Video von Doktor Psi. Tschüss.