Wie funktioniert der Gleichstromgenerator?

Hier führe ich zuerst mit einem Versuch das Generatorprinzip vor. Danach zeige ich, wie in einer Leiterschleife, die in einem Magnetfeld gedreht wird, Spannung entsteht. Anschließend erkläre ich, was die Lorenztkraft ist und wie sie in einem Generator wirkt. Zur Schluß erkläre ich anhand eines Schaltbildes, wie ein Gleichstromgenerator funktioniert.

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

Versuch Generatorprinzip

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.

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

Wenn eine Leiterschleife (Spule) in einem Magnetfeld gedreht wird, 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 dann 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.

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.

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

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.

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.

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?