Der Gleichstromgenerator

Der Gleichstromgenerator
Physik Klasse 9

Frage: Worin besteht der Unterschied zwischen einem Dynamo und einer Autolichtmaschine?

Versuch

Eine Leiterschaukel wird von einem Strom durchflossen und aus einem Magnetfeld herausgedrückt. Dies nennt man das Motorprinzip.
Die Leiterschaukel bewegt sich dabei durch ein Magnetfeld, es entsteht eine elektrische Spannung.  Mit anderen Worten das ist das Generatorprinzip.

des_0286

Eine Maschine, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt bezeichnet man als Generator. Das Wort Generator ist lateinisch und bedeutet Erzeuger, Schöpfer.

Wird eine Leiterschleife (Spule) in einem Magnetfeld gedreht, so entsteht an ihren Enden eine Induktionsspannung. Die Richtung der Spannung ist dabei davon abhängig, ob sich das Magnetfeld in der Spule vergrößert oder verringert. Der Verlauf der Spannung folgt der Form einer Sinuskurve. Es entsteht Wechselstrom. Durch einen Kommutator kann die Wechselspannung jedoch auf mechanischem Wege gleichgerichtet werden.

Wie entsteht Spannung in einer Leiterschleife, die in einem Magnetfeld gedreht wir?

Die mechanische Gleichrichtung der Wechselspannung wird durch einen unterbrochenen Schleifring (Kommutator) erzeugt.

des_0287

In dieser Stellung der Leiterschleife bewegen sich die Leiterstücke AB und CD für einen kurzen Augenblick senkrecht zu den Feldlinien.
Die induzierte Spannung hat dabei ihren größten Wert.
In den Leiterstücken AD und BC wirkt die Lorentzkraft jedoch nicht in Richtung des Leitungsdrahtes, sondern quer dazu.


Wie wirkt die Lorentzkraft in einem Generator?

Die Lorenztkraft ist die Kraft, die ein magnetisches Feld auf die Elektronen in einem Draht ausübt, der senkrecht zu den Feldlinien eines magnetischen Feldes bewegt wird.

des_0288

Während sich die Leiterschleife weiterdreht, bewegen sich die Leiterstücke AB und CD in immer kleiner werdenden Winkeln, also schräg, zu den Feldlinien.
Da die Lorentzkraft damit geringer wird, verteilen sich die Elektronen zunehmend wieder im Leiter; das heißt, die Spannung am Kommutator sinkt.

des_0289

Wenn die Leiterschleife diese Stellung durchläuft, bewegt sie sich mit ihren Stücken AB und CD für einen Augenblick parallel zu den Feldlinien.
Infolgedessen greift jetzt keine Lorentzkraft an den Elektronen an.
An den Kommutatoranschlüssen ist deswegen keine Spannung mehr vorhanden.


des_0290

Dreht sich die Leiterschleife weiter, so wechselt der jeweilige Kommutatorring zur gegenüberliegenden Bürste.
Die Lorentzkraft nimmt deshalb immer mehr zu, da sich die Leiterstücke AB und CD in wieder größer werdenden Winkeln schräg zu den Feldlinien bewegen.
Damit verschieben sich die Elektronen wieder in Richtung des Drahtes.
Da die Kommutatorringe zur jeweils gegenüberliegenden Bürste gewechselt haben, bleibt die Polarität der Spannung erhalten.

des_0291

Wenn die Leiterschleife diese Stellung durchläuft, bewegen sie sich die Leiterstücke AB und CD wieder senkrecht zum Magnetfeld.
Dabei erreicht die Lorentzkraft erneut ein Maximum.
Verglichen mit der Ausgangsstellung wirkt sie jetzt aber in entgegengesetzter Richtung auf die Leitungselektronen.
Die Spannung an den Anschlüssen erreicht wiederum einen Höchstwert.
Sie ist wegen des Wechsels der Kommutatorhalbringe an den Bürsten genauso gepolt wie in der Ausgangsstellung.

Welcher Spannungsverlauf entsteht bei einer vollen Umdrehung in der Leiterschleife?

des_0292

Schaltbild eines Gleichstromgenerators mit Selbsterregung

des_0293

Der Generator läuft an.
Das Eisen in der Feldspule enthält einen geringen Restmagnetismus.
Dadurch wird im Generator eine geringe Spannung erzeugt, die Strom durch die Feldwicklung treibt.
Deshalb vergrößert sich das Magnetfeld in der Erregerspule.
Im Generator steigt die Spannung und somit auch der Feldstrom.
Der Generator erzeugt also sein eigenes Magnetfeld.
Hat das Magnetfeld den für den Generatorbetrieb erforderlichen Wert erreicht, so spricht der Magnetschalter H an und schließt den Kontakt S.
Jetzt liefert der Generator Spannung ins Verbrauchernetz.


Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Strahlenoptik, elektromagnetische Induktion, darin auch Links zu Aufgaben.



Diese und weitere Unterrichtsmaterialien gibt es in unserem Shop Pakete mit vielen PDF-Datei ab 1 Euro und für Lehrer als WORD-Dateien, die sie beliebig ändern können.