Sexl Physik 7, Schulbuch

Gleichspannungsgenerator und Gleichstrommotor Eine leichte Veränderung der Bauart macht aus dem Wechselspannungsgenerator einen Gleichspannungsgenerator. ( 12.4 ) Bringen wir statt der beiden Schleifrin- ge zwei voneinander isolierte Halbzylinder an, so vertauscht dieser Kommutator die Spulenanschlüsse immer dann, wenn die Wechselspannung ihre Richtung än- dert. Der Generator liefert eine pulsierende Gleichspannung . Der Gleichspannungsgenerator kann auch als Motor verwendet werden. Eine am Kommutator angelegte Spannung lässt Strom durch die drehbare Spule fließen. Die Lorentzkraft erzeugt ein Drehmoment. Da der Kommutator Spannung und Strom- richtung nach jeder halben Drehung umpolt, wirkt das Drehmoment immer in glei- cher Richtung. Der Motor läuft von selbst an. Die Laufrichtung wird durch Vertau- schen der Polarität (Umpolen) umgekehrt. Dynamo-elektrisches Prinzip Generatoren und Motoren, bei denen übliche Permanentmagnete nur ein schwa- ches magnetisches Feld erzeugen, liefern nur geringe Leistungen. Erst mit der Ent- deckung des dynamo-elektrischen Prinzips durch W ERNER VON S IEMENS (1816– 1892) im Jahre 1867 wurde der Bau leistungsstarker Generatoren möglich. Das Magnetfeld dieser Maschinen wird durch Elektromagneten erzeugt, wobei der Ge- nerator selbst den notwendigen Strom liefert. Siemens erkannte, dass im Eisen- kern des Elektromagneten stets ein genügend großes magnetisches Feld bleibt, um den Generator nach einem Stillstand wieder anzuregen. Der Hauptschlussmotor ist prinzipiell wie ein Generator aufgebaut. ( 13.1 ) Der Strom fließt durch die Spule des Elektromagneten und wird über den Kommutator der drehbaren Spule, dem Rotor, zugeführt. Bei Betrieb mit Gleichstrom behält das Magnetfeld stets seine Richtung bei, und der Motor arbeitet wie der besprochene Gleichstrommotor. Dreht man die Stromrichtung um, so ändert sich die Laufrich- tung des Motors nicht, da sich sowohl das Magnetfeld als auch die Stromrichtung im Rotor umkehren. Um den Drehsinn des Motors zu ändern, muss man die An- schlüsse am Kommutator vertauschen. Der Hauptschlussmotor kann als Universalmotor mit Gleich- und mit Wechselstrom betrieben werden. Das Drehmoment wird durch Änderung der Spannung geregelt. Die Erde als Generator – Ursache des Magnetfeldes Das Erdmagnetfeld wird mit dem Modell des Geodynamos erklärt. Unter der dünnen Erdkruste und dem 3000 km dicken Erdmantel befindet sich der flüssige äußere Erdkern, der in ca. 5000 km Tiefe an den festen inneren Erdkern grenzt. Der Kern besteht vor allem aus Eisen. Der innere Kern ist über 5000 °C heiß. Die Temperaturdifferenz zum kühleren Erdmantel lässt das flüssige Metall des äu- ßeren Kerns zwischen Innen und Außen zirkulieren. Die Erdrotation versetzt diese Strömungen wie die Windsysteme der Erde in Drehung, das Metall strömt auf Schraubenbahnen – die für Generatoren notwendige Drehbewegung ist vor- handen. Lorentzkraft, Induktionsgesetz und die Strömungseigenschaften von flüssigem Eisen in rotierenden Systemen wirken zusammen und verstärken ein anfangs schwaches Magnetfeld. Die Details konnten erst mit Modellrechnungen auf Supercomputern verstanden werden. Das Ergebnis: Außerhalb der Erde ergibt sich das bekannte Feldlinienbild. Im Erdkern ist das Magnetfeld viel stärker und zeigt vielfach ineinander verwickel- te Feldlinien. Die Modellrechnung bestätigt die Beobachtung, dass das Erdma- gnetfeld zeitlich variiert und sich gelegentlich umpolt. Nachweis der Umpolungen: Beim Erstarren von Lava richtet sich die Magneti- sierung des Gesteins dauerhaft nach dem Erdmagnetfeld aus. Dadurch konnten mit vulkanischen Gesteinsproben die Umpolungen der letzten 160 Mio Jahre rekonstruiert werden, die letzte erfolgte vor 780000 Jahren. Derzeit wird das Feld und dadurch seine abschirmende Wirkung gegen die kosmische Strahlung schwächer. Das Magnetfeld der Sonne kehrt sich in einem Elf-Jahresrhythmus um. Der kleine Planet Mars ist im Inneren längst nicht mehr heiß genug für einen funktionierenden Dynamo, er hat kein Magnetfeld. 13.2 Aufbau der Erde Kruste Erdmantel äußerer Erdkern innerer Erdkern 13.3 Das Magnetfeld der Erde entsteht im Erd- kern. Aus der Stärke an der Oberfläche lässt sich das Feld an der Grenze Erdkern-Mantel berechnen – im Bild oben für das Jahr 1777, unten für 1980. Das Erdmagnetfeld ändert sich mit der Zeit. Stärke und Polarität sind durch unterschiedliche Farben dargestellt. 13.1 Die Schaltung des Hauptschlussmotors N S 13.4 Magnetische Kraftlinien gehen vom äuße- ren Erdkern aus. In der Nähe der Südspitzen von Afrika und Südamerika weicht das Erd- magnetfeld beträchtlich von einem einfachen Dipolfeld (Feld eines Stabmagneten) ab. S innerer Erdkern äußerer Erdkern Äquator 13 | ELEKTRODYNAMIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum es Verlags öbv