Big Bang HTL 3, Schulbuch

Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 55 Grundlagen der Elektrotechnik 6 Die grundlegenden Entdeckungen zum Elektromagnetismus, die die Basis für die gesamte Elektrotechnik sind, wurden zwi- schen 1820 und 1835 gemacht, also in bloß 15 Jahren. Dann dauerte es aber noch fast 50 Jahre, bis 1882 in New York das erste öffentliche Elektrizitätswerk in Betrieb ging. Es erzeugte Gleichstrom, und im Zuge dessen entbrannte ein erbitterter Streit zwischen den Wechselstrom- und den Gleichstromanhängern. Warum sich letztlich doch der Wechselstrom durchsetzte, wie dieser erzeugt und übertragen wird, darum geht es unter anderem in diesem Kapitel. 6.1 Der Strom kommt aus der Steckdose Generator und Elektromotor Generatoren beeinflussen dein Leben enorm, denn ohne sie käme kein Strom aus der Steckdose. Das Prinzip eines Generators ist einfach erklärt: Er wandelt mechanische in elektrische Energie um. Aber wie funk- tioniert das im Detail? Man nutzt die Induktion aus. Dazu muss man den magnetischen Fluss in einer Leiterschleife oder Spule irgendwie ändern ( F1 ). Das kann man zum Beispiel erreichen, indem man einen Magneten in der Spule hin und her schiebt (Abb. 5.26, S. 50) oder die Fläche einer Leiterschleife verändert (Abb. 5.31, S. 51). Was versteht man unter elektromagnetischer Induk- tion und magnetischem Fluss? Lies nach in Kap. 5.4ab S. 49! Es ist dir bekannt, dass in den Laufkraftwerken der Donau elektrischer Strom erzeugt wird (Abb. 6.1). Gut, aber wie funktioniert das im Detail? In jedem Auto gibt es eine sogenannte Lichtmaschine. Wofür ist diese zuständig? Überlege, wo überall im Alltag Elektromotoren verwendet werden. Mit einer Lok vom Typ Taurus III (Abb. 6.2) stellte die ÖBB 2006 mit 357km/h (!) einen neuen Weltrekord auf. Was denkst du, wie viel kW Leistung der Elektromotor dieser Lok hat? Zum Vergleich: Ein Smart hat 37kW und ein F1-Bolide etwa 600 kW. F1 A1 F2 A2 Abb. 6.1: Das Kraftwerk bei Ybbs-Persenbeug F3 A2 F4 A1 F5 A2 Abb. 6.2 Wechselstrom Der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife ist Φ = B · A (Kap. 5.5, S. 51). Das gilt aber nur, wenn das Magnetfeld senkrecht zur Leiterschleife steht. Für einen beliebigen Winkel α gilt Φ = B · A · cos α (siehe Abb. 6.3). Weil sich die Leiterschleife kontinuierlich dreht, gilt weiters α = ω · t ( ω ist die Winkelgeschwindigkeit; siehe Kap. 9.1, NAWI 1). Das kann man nun in das Induktionsgesetz (Kap. 5.5, S. 52) einsetzen. Um die Induktionsspannung aus- rechnen zu können, müssen wir aber in diesem Fall den Differenzialquotienten nehmen: U ind = – d Φ ___ d t = – BA d (cos ω t ) _______ d t = BA ω sin ω t = U m sin ω t Da die Sinusfunktion maximal den Wert 1 annehmen kann, ergibt sich für die Induktionsspannung der Maximalwert BA ω . Man nennt ihn auch Scheitelspannung (= maximale Spannung) und bezeichnet diese mit U m . Der Zusammen- hang zwischen dem magnetischen Fluss und der Spannung ist in Abb. 6.4 dargestellt. Da die Induktionsspannung die erste Ableitung des magnetischen Flusses nach der Zeit ist, entspricht sie der Steigung der Φ -Funktion und ist daher bei α = 0° und α = 180° null. i Abb. 6.3: Wenn man die Leiterschleife kippt, verringert sich der magnetische Fluss, weil sich die „effektive“ Fläche verringert. Man kann sich diese als „Schattenfläche“ vorstellen. Abb. 6.4: Zusammenhang zwischen der Stellung der Leiterschleife, dem magnetischen Fluss Φ und der Induktionsspannung U ind : Auch wenn sie hier gleich hoch eingezeichnet sind: Φ und U ind haben natürlich völlig verschiedene Einheiten und Werte. N YX Nur zu Prüfzwecken – Eigen um des Verlags öbv