Sexl Physik 7, Schulbuch

| 78 Die grundlegenden Entdeckungen auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magne- tismus wurden zwischen 1820 und 1835 gemacht. Sie bilden das Fundament der gesamten Elektrotechnik. Bis zu ihrer technischen Anwendung vergingen aller- dings noch fast fünfzig Jahre. Erst im Jahre 1882 nahm in New York das erste öffentliche Elektrizitätswerk den Betrieb auf – in Österreich war Scheibbs 1886 die erste Stadt mit öffentlichem Kraftwerk. Dabei entbrannte zwischen den Vertre- tern des Gleichstroms und den Anhängern der Wechselstromtechnik vor allem aus wirtschaftlichen Interessen ein heftiger Streit. Schließlich setzte sich die Wechsel- stromtechnik durch. Die Möglichkeit, Wechselspannungen auf hohe Spannungen zu transformieren und dadurch mit geringeren Stromstärken die Ohm’schen Verluste beim Transport elektrischer Energie zu senken, gab den Ausschlag. 3.1 Generator und Motor Generatoren wandeln mechanische Energie (z. B. Wasser- oder Dampfkraft) in elek- trische Energie um, die dank eines entsprechenden Leitungsnetzes in Fabriken und Wohnungen zur Verfügung steht. Elektromotoren wandeln die elektrische Energie wieder in mechanische um und können in allen Umgebungen eingesetzt werden. Der Wechselspannungsgenerator 78.3 zeigt das stark vereinfachte Modell eines Generators: Drehen wir eine Drahtschleife mit der Fläche A im Feld B eines Permanentmagneten, so ändert sich der magnetische Fluss durch die Schleife. Es wird eine Spannung induziert. Der magnetische Fluss durch die Schleife im Feld B hängt vom Winkel α zwischen der Feldrichtung und der Normalen auf die Schleife ab. Für α = 0 ist er maximal. Daher beträgt der magnetische Fluss durch die Schleife Φ = B · A ·cos α . Rotiert die Schleife mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω  = 2π/ T , wobei T die Dauer einer Umdrehung ist, so ist α = ω t . Die zeitlich veränderliche Spannung U ind ( t ) = wird induziert. Die induzierte Spannung ist eine Wechselspannung , sie ändert sich periodisch um den Mittelwert Null . Ihre Amplitude U S wird auch als Scheitel- spannung bezeichnet. Die Extremwerte werden erreicht, wenn der Fluss durch die Spule verschwindet ( 79.1 ). 3 Grundlagen der Elektrotechnik In diesem Kapitel erfährst du − wie Generatoren und elektrische Motoren funktionieren − warum die Erde ein Magnetfeld hat − wodurch sich Wechselstrom von Gleichstrom unterscheidet − wie elektrische Energie übertragen wird − welche Energiequellen uns zur Verfügung stehen 78.1 Hochspannungsleitungen verbinden Kraftwerke und Ballungszentren mit hohem Energiebedarf. Warum benutzt man hohe elektrische Spannungen? 78.2 Fahrraddynamo: In den vier Spulen mit Eisenkern wird durch den rotierenden Perma- nentmagneten Wechselspannung induziert. N S V  α 78.3 Beim Wechselspannungsgenerator dreht sich eine Spule (hier nur eine Leiter- schleife) im Magnetfeld. Die Spannung wird durch zwei Schleifringe abgegriffen. Mathematischer Exkurs Wie allgemein bei periodischen Vorgängen spielen beim Wechselstrom die trigonometrischen Funktionen Sinus und Cosinus eine wichtige Rolle. Beide Funktionen sind periodisch: Bei einem Zuwachs des Arguments um 2 π nehmen sie wieder den ursprünglichen Wert an. Es gilt sin ( ω t +2π) = sin ω ( t + T ) = sin ω t . Die Beziehung sin 2 ω t + cos 2 ω t = 1 lässt sich geometrisch als Umlauf eines Punktes am Einheitskreis mit der Umlaufdauer T deuten. Φ wurde nach der Zeit t differenziert – welche Regeln sind anzuwenden? Nur zu Prüfzwec en – Eigentum des Verlags öbv