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Generatoren


Wechsel-/Drehspannungserzeugung durch Induktion

Lorentz-Schaukel

Drehstromerzeugung

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Welche Rolle spielt die Lorentz-Kraft bei der Spannnungserzeugung duch Induktion?

Wie ist ein Drehstromgenerator aufgebaut?






zuletzt bearbeitet am 18. 1. 2004

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Lorentz-Schaukel

Drehstromerzeugung










Lorentz-Schaukel-Clip Eine Schaukel (blau) aus Aluminium wird in das Feld eines Dauermagneten gehängt.
Die (schwarze) Schaukelachse ist aus einem Isoliermaterial.
Ein Voltmeter ist mit den beiden Schaukeldrähten verbunden.
Bei 0 Volt steht der Zeiger senkrecht.

Es lässt sich nun folgendes beobachten:

1. Das Voltmeter zeigt genau 0 Volt, wenn die Schaukel an ihren Umkehrpunkten ist.
2. Die maximale Spannung erzeugt die Schaukel, wenn sie genau durch die Ruhelage schwingt.
3. dabei hängt offenbar die Polarität der Spannung von der Bewegungsrichtung ab.




Diese Beobachtung lässt sich sehr leicht mit der Lorentz-Kraft erklären:

Die Schaukel macht im Wesentlichen eine Bewegung von rechts nach links bzw. umgekehrt. Das Feld der Permanentmagneten ist senkrecht gerichtet. So werden mit der Schaukel die im Aluminiumdraht befindlichen freien Elektronen quer zum Magnetfeld bewegt. Also wirkt die Lorentz-Kraft. Ihre Richtung steht senkrecht auf dem Magnetfeld und senkrecht zur Bewegungsrichtung. Das aber ist genau die Richtung des Schaukelstabs. Während sich die Schaukel nach rechts bewegt werden die freien Elektronen im Schaukelstab zum einen Ende des Schaukelstabs beschleunigt und zum anderen Ende des Schaukelstabs bei der Linksbewegung.
Dadurch wird aber genau eine Ladungstrennung bewirkt: Am einen Ende des Schaukelstabs sind die Elektronen angehäuft, während sie gleichzeitig am anderen Ende fehlen.
Zwischen den beiden Enden des Schaukelstabs herrscht somit eine Spannung, die das Voltmeter anzeigt.

Die Spannung ist natürlich umso größer, je schneller sich der Schaukelstab bewegt und je stärker das Magnetfeld ist. Da die Geschwindigkeit der Schaukel in ihrer Ruhelage (hängt senkrecht) am größten ist, zeigt auch genau dort das Voltmeter den größten Ausschlag. An den Umkehrpunkten ist die Geschwindigkeit null und es wird keine Spannung erzeugt. Zusätzlich bewegt sich die Schaukel an ihren Umkehrpunkten auch bereits in einem Bereich wo das Magnetfeld ziemlich abgeschwächt ist.


Mit gutem Recht kann man behaupten, dass diese Lorentz-Schaukel ein Wechselspannungsgenerator ist. (Spannung und Stromstärke sind hierbei allerdings sehr schwach, so dass dieser Generator praktisch nicht nutzbar ist. Außerdem muss man erst noch jemanden finden, der die Schaukel ständig in Betrieb hält und das natürlich bitteschön mit 50 Hz!)





weitere Phänomene, die sehr anschaulich durch die Lorentz-Kraft erklärt werden können:

  1. Elektromotoren

  2. Elektronenstrahlröhre (Fernseher, Computermonitor, Motortester...)

  3. Hallgeber

  4. Teilchenbeschleuniger als Ringbeschleuniger









Lorentz-Schaukel

Drehstromerzeugung

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Drehstromgenerator Die vier farbig gezeichneten Leitungen versorgen z.B. (über mehrere Transformatoren) Haushalte und Betriebe mit elektrischer Energie.

Die drei Phasen werden entsprechend den Wicklungen auch mit U, V und W oder mit L1, L2 und L3 bezeichnet.

Die hier gelb gezeichnete Leitung N ist der Nullleiter oder Neutralleiter, der vom Sternpunkt der Drehstromwicklung abzweigt.

Zusätzlich versorgt sich jedes Gebäude selbst mit dem Schutzleiter (grün-gelb) PE (Protection Earth), der hier nicht abgebildet ist.

Auf diese Weise kommen in der Hausverteilung 5 Leitungen an: 3 Phasen, Nullleiter und PE.

Im Haushalt betragen die drei Leiterspannungen UUV, UUW, UVW jeweils 400V
und die drei Strangspanungen UUN, UVN, UWN jeweils 230V.

Einen normale 230V Steckdose ist daher angeschlossen an den Nullleiter, den Schutzleiter und an eine der drei Phasen.

Die CEE- Starkstromsteckdose hat dagegen Anschlüsse an Nullleiter, Schutzleiter und alle drei Phasen.

Eine feine Animation zum Generatorprinzip findet man bei musee de sciences et l´índustrie
(von da gehe zu PHYSIQUE und dann zu GENERATEUR ELECTRIQUE)
(Ist zwar auf französisch, die Grafik versteht man jedoch auch ohne Text.)























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