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Energiewandler – Generator

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Team Realfilm
Energiewandler – Generator
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse

Beschreibung Energiewandler – Generator

Inhalt

Der Generator als Energiewandler

Elektrischer Strom ist heutzutage nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken. Computer, Handys, Mikrowellen oder Waschmaschinen, all diese Geräte funktionieren nur mit elektrischem Strom. Damit dieser stets zuverlässig aus der Steckdose kommt, werden in Deutschland viele verschiedene Energieerzeuger betrieben. Viele davon funktionieren nach dem Prinzip eines elektrischen Generators. Das wollen wir uns im Folgenden genauer anschauen.

Was ist ein Generator?

Ein elektrischer Generator nutzt das Phänomen der Induktion durch Bewegung, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei wird eine Spule oder Leiterschleife durch ein Magnetfeld bewegt, sodass ein elektrischer Strom in der Schleife induziert wird. Bei den meisten Generatoren erfolgt die Bewegung als Rotation. Es macht dabei keinen Unterschied, ob die Spule oder der Magnet bewegt wird.

Der Aufbau eines Generators

Drehgeneratoren sind im Prinzip genauso aufgebaut wie ein Elektromotor. Der Unterschied besteht vor allem darin, dass nicht Strom zu einer Rotation des Ankers führt, sondern die Rotation des Ankers elektrischen Strom induziert.

Vereinfacht kann die Funktionsweise des Generators auch mit einer einzigen Spulenwindung dargestellt werden:

Funktionsweise Generator Physik, Erklärung

Die Spule wird von einem mechanischen Antrieb zwischen den magnetischen Polen gedreht. Dadurch ändert sich ständig der magnetische Fluss durch die Spule und nach den Regeln der elektromagnetischen Induktion wird eine Wechselspannung in der Spule induziert. Deswegen spricht man auch von einem Wechselstromgenerator.

Generator und Kraftwerkstypen

Der mechanische Antrieb des Generators kann durch unterschiedliche Bauteile und Kraftwerkstypen bewirkt werden. In Wasserkraftwerken treibt fließendes Wasser den Generator an, in Kernkraftwerken, Kohlekraftwerken oder Gaskraftwerken unter Druck stehender Wasserdampf und in Windturbinen der Wind.

Zusammenfassung vom Thema Energiewandler - Generator

Hier findest du die wichtigsten Stichpunkte zum Generator in der Physik:

  • Ein Generator ist ein Energiewandler, der mechanische in elektrische Energie umwandelt.
  • Die Stromerzeugung in einem Generator basiert auf dem physikalischen Prinzip der Induktion.
  • Generatoren können durch unterschiedliche Mechanismen angetrieben werden.

Das Video Energiewandler - Generator kurz zusammengefasst

In diesem Video lernst du die Grundbegriffe des elektrischen Generators kennen. Du erfährst außerdem, welche Bedeutung Generatoren für das tägliche Leben haben. Video und Text werden durch ein Arbeitsblatt und interaktive Aufgaben ergänzt.

Transkript Energiewandler – Generator

Die Elektrizität, die wir für Arbeit und Freizeit brauchen, und sogar, um am Leben zu bleiben, kann bis zu großen Generatoranlagen zurück verfolgt werden. Diese erzeugen elektrische Leistung im Gigawattbereich. Diese riesigen, laut rotierenden Maschinen sind Weiterentwicklungen einer einfachen Entdeckung aus dem Jahr 1835. Der Wissenschaftler Michael Faraday entdeckte die elektromagnetische Induktion, das heißt, das Fließen von elektrischen Ladungen in einer Spule, die durch ein Magnetfeld bewegt wird. Die Wechselwirkung zwischen den Elektronen im bewegten Draht und dem Magnetfeld erzeugt einen elektrischen Strom. In diesem kleinen Generator bewegt sich der Draht durch das Magnetfeld und erzeugt dabei einen elektrischen Strom, der das Lämpchen zum Leuchten bringt. Wenn auf diese Weise elektrischer Strom erzeugt wird, sagen wir auch: Der Strom wird im Leiter induziert. Ströme können nur in einem geschlossenen Stromkreis induziert werden. Die Stärke des induzierten Stromes hängt von der Geschwindigkeit der Spule, ihrer Windungszahl und von der Stärke des Magnetfeldes ab. Großtechnische Generatoren nutzen als Energiequellen den Wind, Kohle oder unter Druck stehendes Wasser. Diese erzeugen die Kraft, um riesige Drahtspulen in starken Magnetfeldern zu drehen. So stellen sie die benötigten Milliarden von Kilowattstunden an elektrischer Leistung bereit. Die einfache Anordnung eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld ist der Grundstein unserer Industriegesellschaft.

Energiewandler – Generator Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energiewandler – Generator kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Eigenschaften von Generatoren.

    Tipps

    Generatoren müssen sehr viel Energie im Gigawattbereich erzeugen.

    Die Stärke des erzeugten Stroms ist von mehreren Faktoren abhängig. Unter anderem der Drehgeschwindigkeit.

    Lösung

    1.000.000.000 Watt, also 1 Gigawatt ist eine große Menge an Energie, die von Generatoren erzeugt wird. Diese einfache Erfindung aus dem Jahr 1835 von Michael Faraday wird heute noch genutzt. Um diesen erzeugten Strom, den Induktionsstrom in unterschiedlichen Stärken zur Verfügung zu stellen, kann man die Drehgeschwindigkeit der Leiterschleife, die Windungszahl der Spule und die Stärke des Magnetfeldes variieren. Dies kann nur in einem geschlossen Stromkreis geschehen.

  • Beschreibe die Funktionsweise des Generators.

    Tipps

    1835 entdeckte der Physiker das Phänomen der Induktion. Hierbei geht es um fließende Ladungen in einem Magnetfeld.

    Zwischen den Elektronen und dem Magnetfeld findet eine Wechselwirkung statt.

    Der Generator funktioniert genau nach diesem Prinzip und kann mit Hilfe von Induktionsstrom eine Lampe zum Leuchten bringen. Das geschieht im Draht und nicht im Magneten.

    Lösung

    Michael Faraday war nicht nur Chemiker, sondern auch Physiker. Bei einem Experiment entdeckte er das Phänomen der elektromagnetischen Induktion, d.h. das Fließen von elektrischen Ladungen durch einen Draht, welcher durch ein Magnetfeld bewegt wird. Diese Wechselwirkung nutzt ein Generator, um z.B. eine Lampe zum Leuchten zu bringen. Der auf diese Weise erzeugte Strom heißt Induktionsstrom. Strom kann nur in einem geschlossenen Stromkreis induziert werden und nicht in einem Magneten.

  • Erkläre den Aufbau eines Generators.

    Tipps

    Der Stator ist der unbewegliche Magnet. Für den Südpol hat man sich auf die Farbe grün geeinigt.

    Die Schleifkontakte greifen bei den beiden Schleifringen in der Mitte die Spannung ab.

    Die Drehachse ist mit dem Rotor, an dem sich die Kupferspule befindet, verbunden.

    Lösung

    Bei einem Generator, hier dem Außenpolgenerator, befindet sich der Stator, also der unbewegliche Magnet außen. In der Mitte befindet sich auf einer Drehachse montiert ein Rotor (besteht aus Eisen). Dieser ist mit einer Kupferspule umwickelt, welche an die Schleifringe angeschlossen ist. Diese Schleifringe leiten den durch Drehung erzeugten Strom des Drahtes an die Schleifkontakte weiter. Unten im Bild siehst du, wie dann die Spannung von den Schleifkontakten abgegriffen werden kann.

  • Erkläre die Bauarten von Generatoren.

    Tipps

    Überprüfe zunächst, wo sich in den Bildern Rotor und Stator befinden. Prüfe dann, in welchem Bauteil das Magnetfeld erzeugt wird.

    Der Begriff Pol bzw. Polung ist wichtig. Überprüfe, in welchem Bauteil das Magnetfeld erzeugt wird. Befindet es sich im Inneren, handelt es sich um einen Innenpolgenerator.

    Lösung

    Man unterscheidet grundlegend zwischen zwei Bauarten von Generatoren, nämlich dem Innenpolgenerator und dem Außenpolgenerator. Bei einem Innenpolgenerator findet die Erzeugung des Magnetfeldes im Rotor statt und die Induktion erfolgt im Stator. Bei einem Außenpolgenerator ist es genau umgekehrt. Hier wird das magnetische Feld im Stator erzeugt. Die elektrische Energie entsteht mit Hilfe von Induktion im Rotor, also dem beweglichen Teil. Hier drehen sich Rotor und Spule und das Magnetfeld wirkt von außen.

    Man kann sich also merken:

    Wirkt das Magnetfeld von innen, ist es ein Innenpolgenerator, wirkt es von außen, ist es ein Außenpolgenerator.

  • Gib Beispiele für Energiequellen und Energienutzer an.

    Tipps

    Energiequellen stellen Energie zur Verfügung, bzw. erzeugen sie. Das Windrad ist eine solche Energiequelle.

    Energienutzer nutzen die bereitgestellte Energie. Die Spielekonsole ist ein solcher Energienutzer.

    Lösung

    Man unterscheidet zwischen Energiequellen und Energienutzern. Zu den Energiequellen, die einen Generator antreiben, gehören Windräder, Staudämme von Wasseranlagen und Kohlekraftwerke. Der so erzeugte Strom von Generatoren wird dann verwendet, um ihn im Alltag nutzbar zu machen. Damit kann eine Lampe, eine Spielekonsole, Küchengeräte oder sogar eine ganze Stadt mit Energie versorgt werden.

  • Erläutere die Drehung einer Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld.

    Tipps

    Bei Bild 2 und 4 steht die Bewegungsrichtung der Elektronen senkrecht zum Magnetfeld. Die erzeugte Spannung ist maximal.

    Verläuft die Bewegungsrichtung der Elektronen parallel zu den Feldlinien, ist die erzeugte Spannung minimal.

    Lösung

    Damit Spannung induziert werden kann, müssen drei Faktoren ideal zusammenwirken. Die Bewegungsrichtung der Elektronen muss senkrecht zum Verlauf der Magnetfeldlinien stehen. Die daraus resultierende Kraft, die Lorentzkraft ist dann ebenfalls maximal. Daraus folgt, dass in Bild 2 und 4 die erzeugte Spannung am größten und in Bild 1,3 und 5 am kleinsten sein muss. Die erzeugte Spannung ist eine Wechselspannung, da die Polung sich während der Drehung ändert.

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