Generator Physik
Was ein Generator ist und wie er funktioniert erklären wir dir in diesem Beitrag Video .
Inhaltsübersicht
Generator einfach erklärt
Ein elektrischer Generator ist ein Gerät, das mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Er produziert also aus mechanischen Bewegungen einen elektrischen Strom. Das alles funktioniert mithilfe der Induktion.
Damit durch Induktion die Spannung im Generator entstehen kann, benötigt der Generator mindestens einen Magneten und mindestens einen elektrischen Leiter in Form einer Spule.
Außerdem muss sich die Spule im Magnetfeld des Magneten befinden. Dreht sich nun entweder die Spule innerhalb des Magnetfeldes oder dreht sich das Magnetfeld selbst, entsteht in der Spule eine elektrische Spannung und somit ein Strom. Genauer gesagt entsteht im Generator eine Wechselspannung, weil das Magnetfeld durch die ständige Drehbewegung im Generator immer wieder die Richtung ändert.
Bei der Induktion wird durch die Änderung eines Magnetfeldes, in welchem sich ein elektrischer Leiter befindet, eine elektrische Spannung und somit Strom erzeugt.
Aufbau Generator
Ein Generator besteht aus den Hauptbauteilen Magnet und Spule. Je nachdem, ob sich der Magnet zwischen den Spulen oder die Spulen innerhalb des Magneten drehen, gibt es zwei unterschiedliche Bauformen von Generatoren:
- Innenpolgenerator: ein Magnet dreht sich zwischen feststehenden Spulen
- Außenpolgenerator: die Spule dreht sich zwischen den Magnetpolen
Innenpolgenerator
Sehen wir uns zunächst den Innenpolgenerator an. Hier ist der Magnet der innen stehende Rotor, also der rotierende Teil des Generators. Er befindet sich zwischen zwei feststehenden Spulen. Sie nehmen die Rolle des Stators ein und leiten die elektrische Spannung als Wechselspannung weiter.
Damit durch Induktion elektrische Spannung entsteht, muss sich der Magnet bewegen. Denn nur wenn sich der Leiter senkrecht zum Magnetfeld bewegt, kann die Lorentzkraft wirken. Durch sie wird die Spule geladen und es entsteht elektrische Spannung.
Dreht sich nun also der Rotor, wandert die elektrische Spannung abwechselnd zu den Seiten der Spule. Es entsteht eine Wechselspannung und somit Wechselstrom.
Schon gewusst? Aus unseren Steckdosen kommt üblicherweise Wechselstrom.
Außenpolgenerator
Der Außenpolgenerator nutzt ebenfalls das Prinzip der Induktion. Sein Aufbau unterscheidet sich allerdings vom Innenpolgenerator. Hier ist der Magnet der Stator und die Spule der Rotor.
In diesem Fall dreht sich also die Spule, sie bewegt sich senkrecht zu den Magnetfeldlinien des Magneten. So aktiviert sie die Lorentzkraft und es entsteht wieder ein Stromfluss in der Spule. Die Spule dreht immer weiter, somit ändert sich ständig auch die Richtung des Magnetfeldes, das die Spule durchsetzt, und damit auch die induzierte Spannung. So kann am Generator dann eine Wechselspannung abgegriffen werden.
Eine Spule mit mehr Windungen liefert auch mehr Spannung. Aber weil die Spule beim Außenpolgenerator der Rotor ist, kann sie nur eine bestimmte Größe und Windungsanzahl haben. Die Höchstspannung, die der Generator erzeugen kann, ist also begrenzt.
Gleichstromgenerator
Bei den beiden Arten von Generatoren entsteht am Ende Wechselstrom. Jetzt ist es aber auch möglich, Gleichstrom zu produzieren. Dafür brauchst du noch ein zusätzliches Bauteil, den Kommutator. Wie er funktioniert, sehen wir uns am Beispiel eines Außenpolgenerators an.
Der Kommutator besteht aus zwei Halbschalen, die voneinander isoliert sind. Sie sind mit der Spule verbunden, wechseln also gleichzeitig mit ihr die Ladung. Die beiden Bürsten sind feststehend, sie drehen sich nicht mit den Halbschalen mit. Stattdessen liegen sie auf den Halbschalen des Kommutators auf.
Bei jeder halben Umdrehung der Spule tauschen ihre Seiten die Ladung. Ist die eine Seite der Spule zum Beispiel negativ geladen, ist auch die entsprechende Halbschale des Kommutators negativ. Die Bürste, die sich gerade auf dieser Seite befindet, leitet diese negative Spannung dann weiter. Die andere Bürste nimmt also eine positive Spannung auf.
Beide Seiten der Spule tauschen jetzt ihre Ladung. Weil sich die Spule weiter dreht, kommt die negative Seite wieder an der ersten Bürste an. Somit nimmt die eine Bürste immer negative und die andere immer positive Spannungen auf. So entsteht Gleichstrom.
Elektromotor
Super! Du weißt jetzt, wie elektrische Generatoren funktionieren. Aber wusstest du schon, dass Elektromotoren genau andersherum arbeiten? Sie wandeln elektrische in mechanische Energie um. Schau dir unser Video an, um genau zu erfahren, wie das funktioniert!
