Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

73 16.1 Generatoren und Motoren – Wechselstrom Generatoren und Motoren – Wechselstrom A1 Wiederhole den Begriff „Winkelgeschwindig- keit“! Unter einem Wechselstrom (alternating current, AC) versteht man einen Strom, bei dem die Stromrichtung veränderlich ist. Beachte: Wechselstromgrößen werden mit Klein- buchstaben (Spannung u, Stromstärke i ) bezeichnet! Wechselstromgenerator (dynamo, A.C. generator) Durch Induktion lassen sich relativ leicht Wechselströ- me erzeugen. Das Grundprinzip eines Wechselstrom- generators besteht darin, dass sich Leiterschleifen so in einem Magnetfeld drehen, dass sich der magneti- sche Fluss durch die Spulen dauernd ändert. Wir betrachten eine einzelne Leiterschleife, die sich im homogenen, zeitlich konstanten Magnetfeld eines Hufeisenmagneten dreht. 16.1 16.1.1 Entsprechend der vorigen Abbildung gilt für den ma- gnetischen Fluss U U = B · A · cos { U … magnetischer Fluss durch die Leiterschleife B … magnetische Induktion A … Querschnittsfläche der Schleife { … Drehwinkel Wenn die Leiterschleife mit einer konstanten Winkel- geschwindigkeit ~ gedreht wird, so gilt für den Dreh- winkel { imWesentlichen: { = ~ · t { … Drehwinkel ~ … Winkelgeschwindigkeit t … Zeit Entsprechend dem Induktionsgesetz wird in der Schleife eine Spannung u ind induziert: sin d d u t B A t ind $ $ $ $ ~ ~ U =- = ^ h Da die Sinusfunktion maximal den Wert 1 annehmen kann, ergibt sich für die Induktionsspannung der Ma- ximalwert B · A · ~ . Dieser Wert heißt auch Scheitel- spannung U m . Damit ergibt sich für die Spannung bei einem Generator u = U m · sin ( ~ · t ) u … Spannung zwischen den Enden der Leiterschlei- fe zum Zeitpunkt t U m … Scheitelspannung = maximale Spannung . ~ …Winkelgeschwindigkeit der Schleife Trägt man die vom Generator erzeugte Spannung in einem t-u -Diagramm auf, erkennt man, dass sich die Spannung zeitlich nach Betrag und Vorzeichen ent- sprechend der Sinusfunktion ändert. A2 Begründe, warum der Betrag der induzierten Spannung u ind in den Stellungen a, c und e klein und in den Stellungen b und d groß ist! 0 Schleifring Bürsten Abb. 73.1 Wechselstromgenerator. Die Spannung wird über die Bürsten an den Schleifringen abgenommen. Abb. 73.2 Zeit-Spannung-Diagramm (t-u-Diagramm) für die Induktionsspannung einer rotierenden Leiterschleife B · = 0 t B B B B  · = 90° t · = 180° t · = 270° t · = 360° t Spannung u Drehwinkel · t U m o° 9o° 18o° 27o° 36o° 2 3  2 2  a) b) c) d) e)             Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv