Gleichspannungsgenerator und Gleichstrommotor Eine leichte Veränderung der Bauart macht aus dem Wechselspannungsgenerator einen Gleichspannungsgenerator (14.4). Bringen wir statt der beiden Schleifringe zwei voneinander isolierte Halbzylinder an, so vertauscht dieser Kommutator die Spulenanschlüsse immer dann, wenn die Wechselspannung ihre Richtung ändert. Daher liefert der Generator 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 Stromrichtung nach jeder halben Drehung umpolt, wirkt das Drehmoment immer in gleicher Richtung. Die Laufrichtung wird durch Vertauschen der Polarität (Umpolen) umgekehrt. Dynamo-elektrisches Prinzip Generatoren und Motoren, bei denen übliche Permanentmagnete nur ein schwaches magnetisches Feld erzeugen, liefern nur geringe Leistungen. Erst mit der Entdeckung des dynamo-elektrischen Prinzips durch Werner von Siemens (1816–1892) im Jahre 1867 wurde der Bau leistungsstarker Generatoren und Motoren möglich. Das Magnetfeld dieser Maschinen wird durch Elektromagneten erzeugt, wobei der Generator selbst den notwendigen Strom liefert. Siemens erkannte, dass im Eisenkern 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 (15.1). 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 Laufrichtung 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 Anschlüsse am Kommutator vertauschen. Der Hauptschlussmotor kann als Universalmotor mit Gleich- und mit Wechselstrom betrieben werden. Das Drehmoment wird durch Änderung der Spannung geregelt. 15.1 Die Schaltung des Hauptschlussmotors N S 15.2 Aufbau der Erde 15.3 Das Erdmagnetfeld nahe der Oberfläche wird von Observatorien am Boden und Satelliten gemessen. Seine Stärke wird in dieser Weltkarte farblich dargestellt. Das Erdmagnetfeld ändert im Lauf der Zeit seine Stärke und Polarität. 15.4 Magnetische Feldlinien gehen vom äußeren Erdkern aus. In der Nähe der Südspitzen von Afrika und Südamerika weicht das Erdmagnetfeld beträchtlich von einem einfachen Dipolfeld (Feld eines Stabmagneten) ab. S innerer Erdkern äußerer Erdkern Äquator Die Erde als Generator – Ursache des Magnetfeldes Das Erdmagnetfeld wird mit dem Modell des Geodynamos erklärt. Unter der dünnen Erdkruste und dem 3 000 km dicken Erdmantel befindet sich der flüssige äußere Erdkern, der in ca. 5 000 km Tiefe an den festen inneren Erdkern grenzt. Der innere Kern besteht vor allem aus Eisen und ist über 5 000 °C heiß. Die Temperaturdifferenz zum kühleren Erdmantel lässt das flüssige Eisen des äußeren Erdkerns zirkulieren. Die Erdrotation versetzt diese Strömungen in Drehung, das Metall strömt auf Schraubenbahnen – die für Generatoren notwendige Drehbewegung ist vorhanden. 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 verwickelte Feldlinien. Die Modellrechnung bestätigt die Beobachtung, dass das Erdmagnetfeld zeitlich variiert und sich gelegentlich umpolt. Nachweis der Umpolungen: Beim Erstarren von Lava richtet sich die Magnetisierung 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 780 000 Jahren. Derzeit wird das Feld und dadurch seine abschirmende Wirkung gegen die kosmische Strahlung schwächer. Das Magnetfeld der Sonne kehrt sich in einem Elf-Jahres-Rhythmus um. 15 Elektrodynamik 1 Grundlagen der Elektrotechnik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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