1.2 Generator und Motor Generatoren wandeln mechanische Energie (z. B. Wasser- oder Dampfkraft, Windenergie) in elektrische Energie um. Diese steht durch ein entsprechendes Leitungsnetz auch in großer Entfernung vom Erzeugungsort zur Verfügung. Elektromotoren wandeln die elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad (> 90 %) wieder in mechanische Energie um. Wegen ihrer Vorteile (kompakt, abgasfrei, leicht regelbar, …) finden sie in zahllosen Einsatzgebieten Verwendung. Der Wechselspannungsgenerator 14.2 zeigt das stark vereinfachte Modell eines Generators: Wird eine Drahtschleife mit der Fläche A im Feld B eines Permanentmagneten gedreht, so ändert sich der magnetische Fluss Φ durch die Schleife. Es wird eine Spannung induziert. Der magnetische Fluss Φ 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) = − dΦ _ dt = − d(B·A·cos( ωt)) __ _ dt = B·A· ω·sin( ωt) = U s·sin( ωt) wird induziert. Die induzierte Spannung ist eine Wechselspannung, sie ändert sich periodisch um den Mittelwert Null. Ihre Amplitude US wird als Scheitelspannung bezeichnet. Die Extremwerte werden erreicht, wenn der Fluss durch die Spule verschwindet (14.3). 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 Gesamtwiderstand R im Stromkreis (Verbraucher und Generator) ab: I(t) = U ind(t)_ R = U s_ R ·sin( ωt) Wenn Strom fließt, wirkt auf die achsenparallelen Stücke der Schleife die Lorentzkraft FL(t) = I(t)·s·B und hemmt die Bewegung der Schleife (Lenz’sche Regel). Daher erfordert die Drehung der Spule im Magnetfeld bei geschlossenem Stromkreis mechanische Arbeit. Sie wird vom Generator in elektrische Energie umgewandelt, die über die Anschlussleitungen Verbrauchern zur Umwandlung in mechanische oder thermische Energie zur Verfügung steht. 14.1 Teile eines alten Fahrraddynamo: In den vier Spulen mit Eisenkern wird durch den rotierenden Permanentmagneten Wechselspannung induziert. 14.2 Beim Wechselspannungsgenerator wird eine Spule (hier nur eine Leiterschleife) im Magnetfeld gedreht. Die Spannung wird an zwei Schleifringen abgegriffen. N S V α Bauelemente (z.B. Widerstände) oder Elektrogeräte, die elektrische Energie in andere Energieformen umwandeln, werden (elektrische) Verbraucher genannt. Die Kundinnen und Kunden der Energieversorger werden ebenfalls Verbraucher genannt. Elektrische Energie kann jedoch streng genommen nicht verbraucht werden, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden. 14.3 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 14.4 Beim Gleichspannungsgenerator wird die in der Spule induzierte Spannung durch einen geteilten Schleifring (Kommutator oder Polwender) immer wieder umgepolt, es entsteht eine Gleichspannung mit pulsierender Stärke. N S + - V 14 Elektrodynamik 1 Grundlagen der Elektrotechnik y2y4y5 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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