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Energiewandler – Generator und Motor 14:22 min

Textversion des Videos

Transkript Energiewandler – Generator und Motor

Hallo, hier ist wieder Doktor Psi. Heute wollen wir uns etwas mit den Energiewandlern Generator und Motor beschäftigen. Um die Wirkungsweise dieser Maschinen besser zu verstehen, wiederholen wir am Anfang ganz knapp einige Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Induktion. Daran schließt sich eine technische Anwendung der Induktion an, nämlich der Generator. Dazu behandeln wir das zugrundeliegende physikalische Prinzip, das Generatorprinzip. Dieses wird umgekehrt, und wir gewinnen daraus das Motorprinzip und behandeln einige Einzelheiten zu elektrischen Motoren. Beginnen wir also mit einer Wiederholung der Grundtatsachen der elektromagnetischen Induktion. Ja, du siehst dort eine Animation. In dieser Animation erkennst du einen Permanentmagneten mit Nord- und Südpol. Zwischen den beiden Polen befindet sich ein Magnetfeld und in diesem Magnetfeld dreht sich eine Leiterschleife. An den Enden der Leiterschleife befinden sich zwei Schleifringe und über diese zwei Schleifringe wird eine Spannung abgegriffen und an diesem Messgerät angezeigt. Der Zeigerausschlag entspricht einer induzierten Spannung in dieser Leiterschleife. Und auf der grafischen Darstellung kannst du sehen, das ist ein t-U-Diagramm, wie die Spannung parallel zu dem Zeigerausschlag grafisch dargestellt werden kann. Es geht also hier darum, dass bei der Drehung der Leiterschleife sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche ändert, und mit dieser Änderung ist eine Entstehung der Induktionsspannung verbunden. Wir können also mit den Worten der elektromagnetischen Induktion eine Grundaussage formulieren und diese Grundaussage wollen wir uns mal anschauen. “Ändert sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche der Leiterschleife, so wird an ihren Enden eine Spannung induziert, nämlich die Induktionsspannung.” Ja, dann wollen wir als nächstes über eine solche Maschine sprechen, die eine Spannung erzeugt. Ja, mit der eben dargestellten Anordnung wurde also eine Spannung erzeugt. Und nichts anderes macht ein Generator. Wenn also mithilfe mechanischer Energie-, hier siehst du zum Beispiel eine mechanische Energie in Form eines Handbetriebes, der die Leiterschleife antreibt. Wenn so die Rotationsbewegung erzeugt wird, wandelt diese Maschine die mechanische Energie in elektrische Energie um. Damit ist also unsere Maschine, die gleichzeitig ein Generator ist, ein Energiewandler. Also, ein Generator ist ein Energiewandler. Und dieser Vorgang der Energiewandlung, nämlich die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, wird als zugrundeliegendes physikalisches Prinzip bezeichnet, das wäre das sogenannte “Generatorprinzip”. Und dieses lautet eben einfach: “Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie”. Ja, nun müssen wir noch eine Kleinigkeit erwähnen: Im Prinzip haben wir, das haben wir im ersten Experiment gesehen, eine Wechselspannung, die von dem Generator erzeugt wurde. Wir brauchen aber oft eine Gleichspannung, wir brauchen also oft einen Gleichspannungsgenerator. Und dieser Gleichspannungsgenerator muss auf irgendeine Weise natürlich eine Gleichspannung erzeugen. Ja, wie funktioniert das? Nun, da gibt es einen Trick und dieser Trick beinhaltet, dass wir einen sogenannten Kommutator benutzen. Und dieser Kommutator, auf gut Deutsch heißt so ein Apparat Polwender. Wie funktioniert der? Nun, das siehst du an dieser Anordnung. Wir hatten vorher bei unserer Leiterschleife am Ende zwei kreisförmige Schleifen, und dort wurde die Spannung abgegriffen. Diese beiden Schleifen werden ersetzt oder wir können auch sagen, die beiden Schleifringe werden ersetzt durch einen einzigen Ring, der in der Mitte geteilt ist, also zwei voneinander isolierte Metallringe. Meist nimmt man dazu Kupfer. Du siehst hier diese beiden Ringe und an den Seiten dieser Halbringe wird die Spannung nun abgegriffen. Und wenn wir jetzt den Drehvorgang beobachten, sehen wir einen anderen Zeigerausschlag, nämlich eine sogenannte pulsierende Gleichspannung, und das bewirkt genau der Kommutator. Wenn nämlich bei der Wechselspannung, du erinnerst dich an diesen Verlauf, die Spannung gerade den Nullpunkt durchschreitet, tritt bei diesem Kommutator eine Wendung der Polarität der Spannung ein. Dann wird der untere Teil der Wechselspannungskurve umgeklappt, und wir sehen hier eine pulsierende Gleichspannung. Und als nächstes wollen wir noch einen kleinen Blick in den Generator, in das Innere eines Generators werfen. Ja, nun wollen wir ein paar Anmerkungen zu einigen technischen Details von Generatoren machen. Wir sehen hier eine Abbildung, die gewisse Hauptbestandteile unseres Generators enthält, und diese Hauptbestandteile sind einmal der Rotor und der Stator. Ich sage jetzt gleich etwas dazu. Wir sehen hier auf diesem Bild, dass auf der rotierenden Achse sich eine Spule befindet und außen ein, durch Nord und Süd gekennzeichnet, ein Magnetpol. Dieses Magnetfeld befindet sich außen und deswegen wird, wenn jetzt die Induktionsspule innen ist, Magnetfeld außen, so wird dieser Generator als Außenpolmaschine bezeichnet. Auf der anderen Seite sieht man ein etwas anderes Bild: Außen befindet sich die Induktionsspule, wir sehen, dass dort die induzierte Spannung abgegriffen wird, und innen drin befindet sich ein Rotor, der durch Nord und Süd gekennzeichnet ist, in der also mithilfe des Rotors das Magnetfeld in dem Bereich der Induktionsspule rotiert. Und hier ist also das Magnetfeld innerhalb, und deswegen heißt diese Maschine eine Innenpolmaschine. Damit gibt es also zwei Arten von Erzeugungsmöglichkeiten von Spannungen. Nun haben wir die ganze Zeit über den Generator geredet. Jetzt noch ein paar Anmerkungen zum Motor. Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Also, ein Motor ist auch ein Energiewandler. Und so, wie wir beim Generator ein Generatorprinzip formuliert haben, lässt sich auch hier ein Motorprinzip formulieren, nämlich genau das, was eigentlich dieser Satz beinhaltet: “Die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie”. Damit haben wir beide Prinzipien erläutert, nämlich einmal Generator - Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie - und beim Motor die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Und wenn du dir mal diese Animation hier ansiehst, dann erkennst du, dass diese Maschine eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Generator hat, wir haben hier bloß anstelle des Messgerätes eine Spannung angelegt. Und diese Spannung wird über die beiden Schleifringe zur Maschine geführt, und die Leiterschleife dreht sich. Warum die sich dreht, das kennst du sicherlich aus dem früheren Physikunterricht, hier wirken Lorentzkräfte, die dazu führen, dass die Leiterschleife sich eben im Magnetfeld dreht. Diese Ähnlichkeit zwischen den beiden Maschinen, Generator und Motor, lässt sich sogar noch präzise formulieren, nämlich dass Generatoren-, oder knapp formuliert: “Generator und Motor sind austauschbar”. Ich hoffe, wir sehen uns bald wieder bei einem Video von Doktor Psi. Tschüss.

5 Kommentare
  1. Richtig gut erklärt - danke!

    Von Fca1907ev, vor 11 Monaten
  2. Enorm gut erklärt. Stark💪

    Von Goetz Opitz, vor fast 2 Jahren
  3. sehr gut

    Von Schthothom, vor fast 2 Jahren
  4. Sehr gut erklärt!

    Von Sara Lea, vor mehr als 3 Jahren
  5. Sehr hilfreich !

    Von Fieser Furz2, vor mehr als 4 Jahren

Energiewandler – Generator und Motor Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energiewandler – Generator und Motor kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, was elektromagnetische Induktion ist.

    Tipps

    Wie stark die induzierte Spannung ist, hängt davon ab, wie stark die Magnetfeldänderung ist.

    Elektromagnetische Induktion ist ein Vorgang, bei dem eine elektrische Spannung aus der relativen Änderung eines Magnetfeldes zu einer Spule oder Schlaufe beobachtet werden kann.

    Lösung

    Elektromagnetische Induktion ist ein Vorgang, bei dem eine elektrische Spannung aus der relativen Änderung eines Magnetfeldes zu einer Spule oder Schlaufe beobachtet werden kann:

    Ändert sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche einer Leiterschlaufe oder -Spule, so wird an ihren Enden eine Spannung induziert.

    In der Grafik ist ein Voltmeter $V$ an der Spule angebracht. Bewegen wir den Magneten nun relativ zur Spule, so wird eine Spannung induziert, die mit dem Voltmeter angezeigt werden kann.

    Liegt eine regelmäßige Bewegung vor, also etwa eine Drehung mit ideal konstanter Winkelgeschwindigkeit, so beschreiben die Messwerte am Voltmeter eine Sinuskurve.

    Wie stark die induzierte Spannung ist, hängt davon ab, wie stark die Magnetfeldänderung ist. Besonders große Effekte treten also dann auf, wenn ein starker Magnet sehr schnell in die Spule eingebracht und wieder herausgezogen wird.

  • Gib an, inwiefern Energie in einem Motor umgewandelt wird.

    Tipps

    Motor übersetzt bedeutet etwa Beweger.

    Es kann Energie zwar aus einer Energieform in eine andere überführt werden, aber Energie niemals zerstört oder aus dem Nichts erzeugt werden.

    Lösung

    Um zu klären, inwiefern der Motor ein Energiewandler ist, also welche Energieformen dieser umwandelt, halten wir zunächst einmal fest, dass der Energieerhaltungssatz gültig ist.

    Es kann also Energie aus einer Energieform in eine andere überführt werden, aber Energie niemals zerstört oder aus dem Nichts erzeugt werden.

    Nach diesem Prinzip funktioniert auch der Motor. Wir müssen dem Motor eine Energieform zuführen, die relativ gut speicherbar ist, damit eine Umwandlung überhaupt stattfinden kann. Im Elektromotor wird nun die elektrische Eingangsenergie in mechanische Energie überführt, nämlich eine Rotation.

    Der Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um.

    Motor übersetzt bedeutet etwa Beweger. Ausgehend vom Namen können wir also schon vermuten, dass dieser mechanische Energie erzeugen muss.

  • Zeige die Prinzipien der Energiewandler.

    Tipps

    In jeder Straßenbahn wird nämlich elektrische Energie dazu genutzt, die Bewegung der Bahn zu ermöglichen.

    Ein gutes Beispiel für den Generator ist das Windkraftwerk.

    Lösung

    Wir unterscheiden hier zwei unterschiedliche Energiewandler.

    Der Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Es findet also eine Energieumwandlung $ E_{elek} \to E_{kin} $ statt.

    Motoren sind dir sicher bestens bekannt. In jeder Straßenbahn wird nämlich elektrische Energie dazu genutzt, die Bewegung der Bahn zu ermöglichen. Hier wird also gemäß dem motorischen Prinzip elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt.

    Das generatorische Prinzip befasst sich mit der gegenläufigen Umwandlung.

    Dabei wird also mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

    Ein gutes Beispiel für den Generator ist das Windkraftwerk.

    Dreht sich der Rotor des Windrades, so hat dieser mechanische Energie. Diese Energie wird im Generator nun in elektrische Energie umgewandelt.

  • Analysiere, wie man den Generator optimieren kann.

    Tipps

    Der Betrag der induzierten Spannung nimmt Einfluss auf die gewinnbare elektrische Energie.

    Ziel einer Optimierung muss es sein, eine möglichst hohe Induktionsspannung zu erreichen.

    Die Stärke der Änderung des Magnetfeldes ist abhängig von der Magnetfeldstärke und der Änderungsgeschwindigkeit.

    Lösung

    Damit die mechanische Energie des Rotors bestmöglich in elektrische Energie umgewandelt werden kann, können wir einige Optimierungen treffen.

    Der Effekt der Induktion ist umso stärker, je größer die Änderung des magnetischen Feldes ist. Wird also das Magnetfeld vergrößert, indem mehrere oder stärkere Magneten verwendet werden, nimmt auch die induzierte Spannung und damit die Ausbeute elektrischer Energie zu.

    Dreht sich der Rotor schneller, so wird ebenfalls die Änderung des magnetischen Feldes größer und die Anwendung somit optimiert.

    Wird die Anzahl der Windungen der Rotor-Spule verringert, tritt der gegenteilige Effekt ein. Der Induktionseffekt wird abgeschwächt und somit wird der Optimierung entgegengewirkt.

    Auch bei einer Verringerung der Anzahl der verwendeten Magneten würde die Ausbeute der elektrischen Energie verringert.

    Wie du siehst, ist es wesentlich, die bestmöglichen Bedingungen für die elektromagnetische Induktion zu schaffen. So kann sichergestellt werden, dass eine optimale Ausbeute erreicht wird.

  • Bezeichne den Aufbau der Außenpolmaschine.

    Tipps

    Wir unterscheiden zwischen der Außenpolmaschine und der Innenpolmaschine.

    Bei der Außenpolmaschine besteht der Stator aus einem permanenten Magneten.

    Lösung

    Grundsätzlich unterscheiden wir zwischen zwei Konstruktionsweisen der Energiewandler.

    Die Außenpolmaschine und die Innenpolmaschine.

    Bei der Außenpolmaschine besteht der Stator aus einem permanenten Magneten. In dessen Magnetfeld befindet sich eine drehbar gelagerte Leiterschlaufe als Rotor.

    Bei der Innenpolmaschine befindet sich der Permanentmagnet drehbar gelagert als Rotor zwischen zwei oder mehreren Spulen, die den Stator darstellen.

    Grundsätzlich können sowohl Außen- als auch Innenpolmaschine als Motor oder Generator betrieben werden.

    Je nachdem, ob der Energiewandler generatorisch oder motorisch läuft, wird entweder der Rotor durch einen Strom zur Drehung angeregt, oder durch eine bereits bestehende Rotation eine elektrische Energie generiert.

  • Erkläre, wie der Elektromotor mechanische Energie erzeugt.

    Tipps

    Der Elektromotor verknüpft die Mechanik mit Magnetfeld und elektrischem Strom.

    Die Lorentzkraft wirkt, wenn sich ein Strom senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt.

    Lösung

    Der Elektromotor ist ein Energiewandler, der elektrische in mechanische Energie wandelt.

    Ganz wesentlich ist dabei die Lorentzkraft.

    Diese mechanische Kraft wirkt dann, wenn ein stromdurchflossener Leiter einem magnetischen Feld ausgesetzt wird.

    So können wir also das Magnetfeld mit dem elektrischen Strom und einer mechanischen Energie verknüpfen.

    Für einen Motor ist es praktisch eine Drehung als mechanische Energie zu erzeugen, da diese besser konserviert und transferiert werden kann als eine Längsbewegung.

    Aus diesem Grund enthält der Motor keinen geradlinigen Leiter sondern eine Leiterschlaufe, die mit einer Wechselfrequenz zum Rotieren im Magnetfeld angeregt wird.

    In einem realen Motor wird dieses Prinzip noch ausgeweitet und verbessert. Oft verwendet man hier mehr als nur einen Magneten als Stator. Denkbar sind mehrere Hundert Magneten in einem einzigen Motor. Dies ist eine Möglichkeit, die Energiedichte und die Effektivität zu erhöhen, sodass auch ein kleiner Motor eine relativ große Leistung erbringen kann.