Sexl Physik 7, Schulbuch

1.2 Generator und Motor Generatoren wandeln mechanische Energie (z. B. Wasser- oder Dampfkraft, Wind- energie) in elektrische Energie um, die durch ein entsprechendes Leitungsnetz auch in großer Entfernung vom Erzeugungsort zur Verfügung steht. Elektromoto- ren wandeln die elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad (> 90% ) wieder in mechanische um. Wegen ihrer Vorteile (kompakt, abgasfrei, leicht regelbar,…) fin- den sie in immer weiteren Einsatzgebieten Verwendung. Der Wechselspannungsgenerator 12.2 zeigt das stark vereinfachte Modell eines Generators: Wird eine Draht- schleife mit der Fläche A im Feld B eines Permanentmagneten gedreht, 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 ) = − d Φ _ dt = – d ( B · A ·cos ω t ) ___ dt = B · A · ω · sin ω t = U s · sin ω t wird induziert. Die induzierte Spannung ist eine Wechselspannung , sie ändert sich periodisch um den Mittelwert Null . Ihre Amplitude U S wird als Scheitelspan- nung bezeichnet. Die Extremwerte werden erreicht, wenn der Fluss durch die Spu- le verschwindet ( 12.3) . 12.3 Bei der Drehung der Schleife im Magnetfeld entsteht durch Induktion eine Wechselspannung (blaue Linie), ihre Stärke und Polarität ändern sich periodisch. (Magnetischer Fluss: grüne Linie) V V V V V Spannung U Zeit t F F F F I I I I von Leiterschleife umfasster magnetischer Fluss α = 0 α π = α π = 2 α = α = 2 π 3 2 π F Wird die rotierende Spule über Schleifringe und Anschlussleitungen mit einem Verbraucher verbunden und dadurch ein Stromkreis geschlossen, dann fließt Wechselstrom mit der Periode T . Die Stromstärke I ( t ) hängt dabei vom Gesamtwi- derstand R im Stromkreis (Verbraucher und Generator) ab: I ( t ) = U s _ R · sin ω t. Wenn Strom fließt, wirkt auf die achsenparallelen Stücke der Schleife die Lorentz- kraft F ( t ) = I ( t ) · s · B und hemmt die Bewegung der Schleife (Lenz’sche Regel!): Daher erfordert die Dre- hung der Spule im Magnetfeld bei geschlossenem Stromkreis mechanische Arbeit. Sie wird vom Generator in elektrische Energie umgewandelt, die über die An- schlussleitungen Verbrauchern zur Umwandlung in mechanische oder thermische Energie zur Verfügung steht. 12.2 Beim Wechselspannungsgenerator dreht sich eine Spule (hier nur eine Leiter- schleife) im Magnetfeld. Die Spannung wird durch zwei Schleifringe abgegriffen. N S V  α 12.4 Beim Gleichspannungsgenerator wird die in der Spule induzierte Spannung durch einen geteilten Schleifring (Kommutator oder Polwender) immer wieder umgepolt, es ent- steht eine Gleichspannung mit pulsierender Stärke. N S + - V 12.1 Teile eines alten Fahrraddynamo: In den vier Spulen mit Eisenkern wird durch den rotierenden Permanentmagneten Wechsel- spannung induziert. 12 ELEKTRODYNAMIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv