Von Motoren und Generatoren.

Kraft auf stromdurchflossenen Leiter und Induktion durch Bewegung sind verwandte Effekte.

Die hier beschriebenen Experimente können als Einstieg in dieses Thema entweder im Unterrichtsgespräch oder auch in einem kleinen Lernzirkel eingesetzt werden. Hat man genügend der Geräte zur Verfügung, sind auch Experimente "in gleicher Front" denkbar.

Die Drehbewegung (Motor, Generator) ist stets komplizierter und schwieriger zu verstehen und erklären als eine lineare Bewegung. Als Zwischenstufe zwischen Motor / Generator und einer einfachen, bewegten Stange ist daher das Paar Lautsprecher / Mikrofon zu empfehlen.

1) Experimente mit zwei DynaMot (Drehbewegung).

Als motivierender Einstieg bietet sich die Arbeit mit zwei DynaMot an. Diese bekommt man z.B. bei Conatex. Durch die Drehbewegung wird allerdings zunächst nur das Prinzip klar, dass man einen Motor auch als Generator nutzen kann, jedoch nicht so sehr, was dabei genau passiert. Folgende Versuche sollten dabei durchgeführt werden, wie sie ablaufen, zeigen die kurzen Filmsequenzen.
(Diese müssen aus technischen Gründen in einem neuen Browserfenster laufen, klicken Sie bitte jeweils auf den Link unter dem Bild, schließen Sie nicht mehr benötigte Browserfenster)

Dynamot als Motor	a)	Der DynaMot wird an eine Spannungsquelle anschlossen, er bewegt sich wie ein Motor. Wird die Spannungsquelle umgepolt, dreht sich der Motor in die entgegengesetzte Richtung. Es wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt.
Dynamot als Generator	b)	An den gleichen DynaMot wird eine Lampe angeschlossen, dreht man an der Kurbel, leuchtet die Lampe auf. Der Motor wird zum Generator, zum Dynamo, die mechanische Energie der Kurbeldrehung wird in elektrische Energie umgewandelt.
Zwei Dynamot	c)	Zwei DynaMot werden zusammengeschaltet. Kurbelt man am einen DynaMot, dreht sich der andere und umgekehrt. Kurbelt man in die entgegengesetzte Richtung, ändert sich auch die Drehrichtung des als Motor betriebenen DynaMot. Jeder der beiden kann also als Motor oder Generator arbeiten.

Man kann danach mit den Schülern folgende Tabelle entwickeln (oder auch erst im Abschluss der ganzen Versuchsreihe)

2) Der Fahrradgenerator als Motor.

• Aber funktioniert das auch wirklich?

Der nächste Versuch überzeugt die Schülerinnen und Schüler dann sicher von dem Konzept. Alle kennen den Fahrradgenerator ("Dynamo"). Wird er gedreht, so entsteht eine Spannung, welche die Vorderlampe und das Rücklicht mit elektrischer Energie versorgt.
(vergleiche zum Aufbau eines Fahrradgenerators auch diese Seite auf dem Landesbildungsserver Seite zum Fahrradgenerator (Aufbau)).

• Lässt sich dieser Generator auch als Motor betreiben?

Fahrradgenerator als Motor

Man muss dazu den Fahrradgenerator an eine Quelle anschließen, die eine Spannung abgibt, wie sie auch im Generatorbetrieb produziert wird - an eine Wechselspannung von etwa 6 Volt. Läuft der Motor nicht von alleine an, muss man ihn ggf. etwas "anwerfen". Dieses Experiment versetzt Schülerinnen und Schüler meist in Staunen. Was dahinter steckt, erfahren Sie auf dieser Seite im Bereich Didaktik: Hintergründe zum Fahrradgenerator als Motor

3) Experimente mit Lautsprecher / Mikrofon.

Die Drehbewegung eines Motors / Generators ist relativ kompliziert zu erklären. Möchte man das Prinzip der 3-Finger-Regel auch auf die Induktion anwenden, wird man dies wahrscheinlich leichter an einer linearen Bewegung vermitteln können.
Als Zwischenstufe zur "Rollstange" (siehe weiter unten) bietet sich dabei das Paar Lautsprecher / Mikrofon an.
Die Experimente sind dabei analog zu denen mit den DynaMot. Der letzte Versuch (c) wird dabei leider nicht gelingen, weil die Wirkungsgrade der Lautsprecher zu schlecht sind.

Lautsprecher mit niedriger Frequenz	a)	Ein Lautsprecher wird an eine Wechselspannung niedriger Frequenz ( hier etwa 1 Hz aus einem Tongenerator) angelegt, die Membran bewegt sich dabei gut sichtbar nach vorne und hinten. Es wird elektrische Energie (Tongenerator) in mechanische Energie (Bewegung der Membran) umgewandelt. Bei diesem Lautsprecher ist die Sicke (Gummirand) schon wegen Materialermüdung eingerissen und defekt.
Lautsprecher als Mikrofon	b)	An den gleichen Lautsprecher wird statt des Generators ein Spannungsmessgerät angeschlossen, bewegt man die Membran vorsichtig mit dem Finger, wird eine Spannung angezeigt. Die Polung der Spannung hängt von der Bewegungsrichtung der Membran ab. Geeignet ist hier z.B. ein Steckskaleninstrument mit einer Empfindlichkeit von 30 mV (PHYWE) Der Lautsprecher wird hier zum Mikrofon, mechanische Energie der Membranbewegung wird in elektrische Energie umgewandelt. Man kann den Lautsprecher auch an ein Oszilloskop (Empfindlichkeit etwa 10mV) anschließen und die auftretende Spannung und ihre Polung so sichtbar machen. Benutzt man keinen Finger zum Bewegen der Membran und die Klasse macht richtig "Krach", kann man so auch die gewandelte Schallinformation sichtbar machen.

4) Experimente mit der Rollstange.

Als weitere Elementarisierung und Übergang zur 3-Finger-Regel bietet sich danach das Problem der Rollstangen im Magnet an. Hier wird dann nur ein einfaches und gerades Leiterstück betrachtet, das linear bewegt wird.

Auch hier kann man wieder parallel vorgehen wie schon bei den Dynamot und / oder den Lautsprechern.

Rollstange als "Motor"	a)	Die Rollstange wird an eine Spannung angelegt, je nach Polung und Richtung des Magnetfeldes bewegt sie sich dabei nach vorne oder nach hinten. Die Richtung der Bewegung kann man mit der 3-Finger-Regel vorhersagen. Es spielt also auch noch die Richtung des Magnetfeldes eine Rolle. Es wird elektrische Energie (Spannungsquelle) in mechanische Energie (Bewegung der Stange) umgewandelt.
Rollstange als "Generator"	b)	An die Stange wird (über einen Messverstärker) ein Spannungsmessgerät angeschlossen, bewegt man die Stange mit der Hand, wird eine Spannung angezeigt. Die Polung der Spannung hängt von der Bewegungsrichtung der Stange ab. Die Elektronen sind in der Stange "eingesperrt", müssen also deren Bewegung mitmachen. Durch die Bewegung im Magnetfeld tritt eine Lorentzkraft in Richtung der Stange auf, die Elektronen werden verschoben. Es entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen den Enden der Stange.

Vgl. hierzu auch folgende Seiten auf dem Landesbildungsserver:

rollende Stange
rollende Stange zweidimensional erklärt
Induktion 1.Art mit LEDs

5) Weiterführende Themen.

Man kann an dieser Stelle auch die Funktion von Pumpspeicherkraftwerken ansprechen.

Dort wird das Wasser aus einem höher gelegenen Stausee über eine Druckleitung auf eine Turbine geleitet, die mit einem Generator gekoppelt ist. Läuft Wasser aus dem Stausee, dreht sich die Turbine und der Generator erzeugt elektrische Energie, die in das Stromnetz eingespeist wird.
Wird von anderen Kraftwerken mehr elektrische Energie bereitgestellt als gebraucht wird (vor allem nachts), dann wird mit dieser Energie derselbe Generator als Motor betrieben. Diesmal jedoch wird er mit einer Pumpe gekoppelt, die das Wasser aus dem unteren Stausee wieder in den oberen Stausee zurückpumpt.
Der "Maschinensatz" kann also wahlweise als Generator arbeiten (wenn er mit der Turbine gekoppelt wird) als auch als Motor (wenn er mit der Pumpe gekoppelt wird).

Das Bild zeigt einen solchen Maschinensatz im Kavernenkraftwerk Wehr des Schluchseewerks am Hochrhein nahe Bad Säckingen. Dieses Kraftwerk ist in einem Berg gelegen, und nur durch einen 1,3 km langen Stollen erreichbar (Kavernenkraftwerk). Es ist das derzeit leistungsstärkste Pumpspeicherkraftwerk in Baden-Württemberg (910 MW). Das Schluchseewerk plant derzeit in Atdorf noch ein größeres Kavernen-Pumpspeicherkraftwerk, das 1400 MW Leistung haben soll. Dies entspricht etwa der Leistung eines Kernkraftwerksblocks. Der gelbe "Kasten" ist der Motor / Generator. Im Vordergrund ist die Pumpe, die über die (rote) Kupplung im Pumpbetrieb mit dem Motor verkoppelt wird. Hinter dem Motor / Generator sieht man die Turbine. Am ihrem linken Ende endet das Druckrohr, das zum höhergelegenen Hornbergbecken führt. (Foto von Stefan-XP aus Wikipedia GNU)

Entgegen der häufigen Meinung ist das bekannte Walchenseekraftwerk in Kochel / Bayern - nahe der A 95 München-Garmisch-Partenkirchen gelegen - kein Pumpspeicherwerk. Aus dem tiefergelegenen Kochelsee wird nie Wasser in den höhergelegenen Walchensee zurück gepumpt. Das sieht man an den Maschinensätzen. Es gibt nur Generatoren (rechts) und Turbinen (links), Pumpen fehlen. Weitere Infos Walchenseekraftwerk E.ON Wasserkraft

( Foto: Grüninger)

In Baden-Württemberg gibt es zahlreiche Pumpspeicherkraftwerke - vor allem im Südschwarzwald - betrieben von den Schluchseewerken.

Es gibt aber auch eines an der Schwäbischen Alb bei Glems nahe Metzingen, das die ENBW betreibt.
vgl. dazu diese Seite bei Wikipedia oder diese Seite bei der ENBW.
Die ENBW betreibt auch noch das Pumpspeicherkraftwerk bei Forbachim Nordschwarzwald und ist an den Vorarlberger Illwerken beteiligt.

Eine Liste mit Leistungs- und Baudaten deutscher Pumpspeicherkraftwerke findet man ebenfalls bei Wikipedia.
Das leistungsstärkste Pumpspeicherkraftwerk Deutschlands ist derzeit das Kraftwerk Goldisthal in Thüringen betrieben von Vattenfall Deutschland.

Alle Filme :
Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver, 2011