Der Generator

Für die Wiedergabe der Java-Applets muss ein entsprechendes Plugin installiert sein.

1.) Ohne Kommutator.

In einer Spule, die sich im Feld eines Magneten dreht, wird ebenfalls eine Induktionsspannung erzeugt. Ohne Verwendung eines Kommutators ist dies eine Wechselspannung, wie der folgende Film zeigt.

Die Spule wird von einem Elektromotor angetrieben.
Das abwechselnde Aufblinken der beiden entgegengesetzt geschalteten Leuchtdioden (LED) kennst du schon: hier wird eine Wechselspannung angezeigt.

In der Mitte des Videos wird der "Turbo-Knopf" des Antriebsmotors für eine Weile gedrückt.
(Achte auf den Daumen der Hand!)
Die Drehfrequenz der Spule erhöht sich ("die Spule dreht schneller, die Leuchtdioden blinken schneller").

Gleichzeitig erkennt man, dass die Leuchtdioden auch heller aufleuchten:
die Induktionsspannung wird also auch größer, wenn sich die Spule schneller dreht.

Dieser Vergleich macht es noch deutlicher, dieses Bild würde man erhalten, wenn man die Induktionsspannung auf einem Oszilloskop darstellt:


langsame Drehung kleine Frequenz f große Periodendauer T kleine Induktionsspannung	schnelle Drehung große Frequenz f kleine Periodendauer T große Induktionsspannung

Mit diesem Java-Applet von Walter Fendt kannst du die Wirkungsweise des Generators noch genauer erforschen.
(Beachte die Anweisungen unterhalb des Applets!)

Eine Bewegung des Spannungsmessinstruments aus der Nulllage nach rechts entspricht dem Aufleuchten der rechten Leuchtdiode, ein Zeigerausschlag nach links dem Aufleuchten der linken Leuchtdiode.

Belasse dabei zunächst die Stellung "ohne Kommutator" und die Einstellung der Drehzahl.

(Wenn zu viele Pfeile stören, klicke evtl. "Magnetfeld" und "Bewegungsrichtung" weg.)

Wann polt sich jeweils die Spannung um (Richtung der roten Pfeile)?
Welchen Betrag hat die Induktionsspannung in diesem Augenblick? ( Diagramm oben rechts )
Was ändert sich, wenn der Generator in umgekehrter Richtung dreht?

Verändere nun die "Drehzahl" in der Animation:

Was ändert sich an der Spannung, wenn du die Drehzahl vergrößerst / verkleinerst?
(vgl. mit den Bildern von oben!)

2.) mit Kommutator.

Bei diesem Film wurden die Kontaktkohlen an den geteilten Kommutator (vorn) angeschlossen.

Folgende Dinge solltest du auf dem Video sehen:

es leuchtet immer nur die rechte Leuchtdiode.
Die Polung der Induktionsspannung wechselt hier also nicht, es entsteht nun eine Gleichspannung.
die Größe dieser Gleichspannung ist nicht konstant (sonst würde die Leuchtdiode gleichbleibend leuchten!)
dreht sich der Generator langsamer (gegen Ende des Films), dann wird die Induktionsspannung kleiner (Leuchtdiode leuchtet nicht mehr so hell).

Beim Elektromotor hast du folgendes gelernt:

Verwendet man eine Gleichspannungsquelle, so muss man während jeder Umdrehung die Stromrichtung einmal umkehren, damit sich der Motor in derselben Richtung weiterdreht.
Diese Aufgabe übernimmt der sogenannte Kommutator.

Auch hier polt der Kommutator die Spannung um, so dass aus der Wechselspannung eine (pulsierende) Gleichspannung wird.

Stelle in der folgenden Animation die Auswahl auf "mit Kommutator".

Beachte in der Simulation des Java-Applets folgendes:

in der Leiterschleife wechselt beim Drehen die Richtung der Induktionsspannung immer noch.
nach dem Kommutator ist die Richtung des Induktionsstroms durch den Widerstand R immer gleich:
aus der Wechselspannung ist eine Gleichspannung entstanden.
je schneller die Spule dreht, desto größer wird die Induktionsspannung.

Zusatzinformation:

Da sich mit der Drehfrequenz auch der Betrag der Induktionsspannung verändert, ist es in einem Verbundnetz für Elektrizität nötig, die Drehfrequenz festzulegen. Die Wechselstromfrequenz beträgt bei uns in Mitteleuropa 50 Hz.

Würde der Generator in einem Kraftwerk statt mit 50Hz (=300 Umdrehungen / min) mit 70 Hz laufen, würde die Spannung im Verbundnetz unzulässig ansteigen. Die angeschlossenen Geräte würden dabei teilweise kaputt gehen und auf den Betreiber des Kraftwerks kämen Schadenersatzforderungen in Milliardenhöhe zu!

Weiterhin würde ein Generator, der zwar mit der richtigen Frequenz aber im "Gegentakt" (man sagt, in "Gegenphase") zu den anderen Generatoren läuft, deren Wirkung mindern - du kennst dies von Batterien, die man falsch herum gepolt hat.

Daher können Generatoren nur "ans Netz gehen", wenn die Drehfrequenz und die Phase innerhalb einer minimalen Toleranzgrenze stimmt.
Bei Windrädern ist es z.B. so, dass der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert wird, wenn die Windgeschwindigkeit zu- oder abnimmt, damit die Frequenz des Generators konstant bleibt.
Die in Solarzellen gewonnene Energie liegt als Gleichspannung vor. Man muss diese mit Hilfe eines sogenannten "Wechselrichters" in Wechselspannung der passenden Frequenz umwandeln, wenn der "Solarstrom" in das Verbundnetz eingespeist werden soll.

Fachgruppe Physik