PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

WS 02 / 03
PHYSIKALISCHES
SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I
Motor - Generator
(Unterstufe)
1. Versuch: 21.11.2002
2. Versuch: 28.11.2002
Protokoll: 29.11.2002
Korrektur: 7.1.2003
Adelheid Denk
9955832 412 / 406

Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schülerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 / 406
Inhaltsverzeichnis: ………..Seite 2
1…………….Aufgabenstellung ………..Seite 3
Was will ich erreichen?
2…………….Theoretische Grundlagen für den Lehrer ………..Seite 5
3…………….Arbeiten mit dem Motor ……......Seite 32
4…………….Wie erkläre ich den Stoff? ………..Seite 43
5…………….Tafelbild ………..Seite 43
6…………….Folien ………..Seite 43
7…………….Versuche ………..Seite 43
7.a…..Zeit
7.b…..Versuchsanordnungen
7.c…..Versuchsdurchführung
7.d…..Theoretischer Hintergrund
8……………..Experimentelle Schwierigkeiten ………..Seite 53
9……………..Medien ………..Seite 54
10................Was diktiere ich ins Heft? ………..Seite 54
11 …………..Anmerkungen: ………..Seite 54
Kritiken und Verbesserungsvorschläge
12…………...Anhang: ………..Seite54
Literaturverzeichnis ………..Seite 55
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1. Aufgabenstellung
Die Aufgabenstellung bestand darin, einen Motor bzw. Generator mit Hilfe der
Elektrolehrmaschinen selbst herzustellen.
Von den empfohlenen Experimenten wurden folgende Versuche von uns
ausgewählt, durchgeführt und ausgewertet:
Generator mit Permanentmagnet:
o Wechselstromerzeugung (*)
o Gleichstromerzeugung (*)
Generator mit Elektromagnet:
o Außenpolgenerator (*)
o Innenpolgenerator (*)
Selbsterregter Gleichstrom – Generator, Dynamoelektrisches Prinzip:
o Hauptschlussgenerator
o Nebenschlussgenerator
Elektromotor mit Permanentmagnet:
o Der einfache Gleichstrommotor (*)
o Der selbst anlaufende Gleichstrommotor (*)
Hauptschlussmotor:
o Versuch 1
o Versuch 2
Nebenschlussmotor:
o Versuch 1
o Versuch 2
Modell eines Synchronmotors:
o Versuch 1
o Versuch 2
Drehstromgenerator:
o Versuch 1
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Bemerkung: Bei diesem Themengebiet ist es sehr schwierig, die Versuche in Unter-
und Oberstufe zu unterteilen. Laut Lehrplan (Realgymnasium) wäre dieses Thema
für die 4. bzw. 6. Klasse vorgesehen. In der Unterstufe liegt jedoch der Schwerpunkt
auf dem Gebiet Magnetismus. Dazu kann man sehr viele, kleinere Handversuche
durchführen (die aber nicht zu unserem Aufgabengebiet gehörten!), Motoren und
Generatoren werden jedoch nur als Anwendungsgebiete erwähnt. Es gibt in der
Unterstufe nur sehr wenige, durchführbare Versuche mit den Versuchsmotoren.
Wir haben uns deshalb darauf geeinigt, dass ich in diesem Protokoll nur die mit (*)
gekennzeichneten Versuche abhandeln werde. (Bei ihnen ist an ein Durchführen in
der Unterstufe denkbar.) Zum Ausgleich findet man in diesem Protokoll dafür mehr
Theorie und vor allem die notwendigen Hintergrund- und Zusatzinformationen.
(Stromerzeugung und Versorgung,… etc.)
Die restlichen Versuche finden sich im Protokoll der Oberstufe.
(vgl. Protokoll: Motor & Generator (Oberstufe): Lindenbauer Edith)
Was will ich erreichen? (Was sollen die Schüler lernen)
Auszug aus dem Lehrplan für die 4. Klasse (AHS – Unterstufe):
Elektrizität bestimmt unser Leben:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer
tiefer gehendes Verständnis von technischer Erzeugung und Konsum von
Elektroenergie gewinnen.
- Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer
Energie gewinnen; Permanentmagnet und Elektromagnet; elektromagnetische
Induktion;
- grundlegendes Wissen über Herstellung, Transport und „Verbrauchû
elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator);
- Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und Sicherheitsbewusstes
Handeln erreichen;
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- Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geräte aus dem
Interessensbereich der Schülerinnen und Schüler gewinnen (Elektromotor).
Folgerung: Lernziele:
o Magnete
o Magnetfelder
o Stromfluss bewirkt ein Magnetfeld
o Die Bewegung eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld
o Änderung des Magnetfeldes bewirkt Spannung (Induktion)
o Drehstrom
o praktische Anwendungen:
o Motor
o Generator
o Elektrizitätsversorgung Österreichs + Zusatzinformationen
2. Theoretische Grundlagen für den Lehrer
Grundlagen:
Magneten werden vielfältig verwendet, z.B. als Kompass mit Magnetnadel,
oder als magnetische Pinwand.
Da Magneteisenstein in der Natur vorkommt, spricht man von einem
natürlichen Magneten. Man kann einen Magneten aber auch künstlich
herstellen.
Magnete ziehen Gegenstände aus Eisen, Nickel oder Kobalt an und halten
sie fest, man nennt diese Stoffe ferromagnetische Stoffe. (lat. ferrum =
Eisen, ferromagnetisch = ähnliche magnetische Eigenschaften wie Eisen)
Ungleichnamige Pole ziehen einander an, gleichnamige stoßen einander
ab.
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Stoffe, die wie Stahl dauernd (über längere Zeit) magnetisch bleiben,
werden als hartmagnetisch bezeichnet. Stoffe, die wie Weicheisen
vorübergehend magnetisch sind, werden als weichmagnetisch bezeichnet.
Aus hartmagnetischen Werkstoffen werden Dauer- oder
Permanentmagneten hergestellt. (lat. permanere = andauern)
Jedes Teilstück eines Magneten ist ein Magnet. Man denkt sich
ferromagnetische Stoffe aus Elementarmagneten bestehend.
Magnetisieren bedeutet ein Ausrichten der Elementarmagneten.
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Beim Glühen verliert ein Magnet seinen Magnetismus, er wird
entmagnetisiert. Auch durch Erschütterungen kann ein Magnet
entmagnetisiert werden.
Weicheisen ist magnetisch, solange sich ein Magnet in der Nähe befindet.
Man spricht von magnetischer Influenz.
Ein Magnet besitzt in seiner Umgebung ein magnetisches Feld. Dieses
kann durch magnetische Feld- oder Kraftlinien anschaulich gemacht
werden. Magnetische Feldlinien sind geschlossene Linien. Sie verlaufen
außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol, innerhalb des Magneten
vom Süd- zum Nordpol.
Je dichter die magnetischen Feldlinien beisammen liegen, desto stärker ist
das magnetische Feld. Das magnetische Feld wird mit zunehmender
Entfernung vom Magneten schwächer.
Eisen verdichtet die magnetischen Feldlinien. Das magnetische Feld wird
in Eisen verstärkt und in Luft geschwächt.
Luft, Papier, Holz, Kupfer, Messing, Glas u.a. lassen die magnetischen
Feldlinien durch. Mit Eisen kann man magnetische Feldlinien abschirmen.
Versuch von Christian Oersted 1820:
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Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld.
Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. Dieses
ist umso stärker, je größer die Stromstärke ist.
Die magnetischen Feldlinien sind bei einem geraden Leiter konzentrische
Kreise. Sie liegen in Ebenen senkrecht zum Leiter.
Mit zunehmender Entfernung vom Leiter nimmt die Stärke des
magnetischen Feldes ab.
Korkenzieherregel:
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Ein Gesetz, das den Zusammenhang zwischen der Stromrichtung und der
Feldlinienrichtung eines stromführenden Leiters ausdrückt. Die Richtung
der Feldlinien wird durch den Drehsinn eines Korkenziehers angegeben,
den man sich in der Stromrichtung in den Leiter gebohrt denkt.
Rechte Hand Regel:
Die Rechte-Hand-Regel dient zur Klärung des Zusammenhanges zwischen
Strom- und Feldrichtung bei einem elektrischen Leiter bzw. einer
stromdurchflossenen Spule.
1. Ablenkung einer Magnetnadel: Der Daumen der rechten Hand zeigt die
Richtung der Ablenkung des Nordpoles der Magnetnadel an, wenn die
Fingerspitzen in die technische Stromrichtung weisen und der Draht
über der Magnetnadel verläuft.
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2. Bestimmung des Nordpoles einer stromdurchflossenen Spule: Umfasst
man die Spule mit der rechten Hand so, dass die Fingerspitzen in die
technische Stromrichtung weisen, dann zeigt der ausgestreckte
Daumen in die Richtung des Nordpoles.
Das Magnetfeld, das einen geraden Leiter umgibt, ist sehr schwach.
Wickelt man einen längeren Draht schraubenförmig auf, so erhält man eine
Spule. Bei einer Spule liegen viele Leiter nebeneinander. Bei mehreren
Windungen addieren sich die Wirkungen. Es ist daher zu erwarten, dass
das Magnetfeld wesentlich stärker ist als das eines einzelnen Leiters.
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Eine stromdurchflossene Spule besitzt ein Magnetfeld mit einem Nord- und
Südpol wie ein Stabmagnet.
Die Polung einer Spule: Umfasst man die Spule so mit der rechten Hand,
dass die Fingerspitzen in die technischer Stromrichtung weisen, dann zeigt
der ausgestreckte Daumen in die Richtung des Nordpols der Spule.
Das Magnetfeld einer Spule ist umso stärker, je größer die Stromstärke ist
und je mehr Windungen bei gleicher Länge vorhanden sind.
Eine praktische und technisch häufige Anwendung des Magnetfeldes einer
Spule ist der Elektromagnet: Eine stromdurchflossene Spule mit einem
Weicheisenkern.
Eine Spule mit Weicheisenkern besitzt ein viel stärkeres Magnetfeld als
eine Spule ohne Weicheisenkern, weil die Elementarmagneten des
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Weicheisenkerns ausgerichtet werden. Dadurch wird das Magnetfeld der
Spule verstärkt.
Ein Elektromagnet mit geschlossenem Eisenkern besitzt ein viel stärkeres
Magnetfeld als ein gleichartiger Elektromagnet mit nicht geschlossenem
Eisenkern.
Eine Drehspule im Magnetfeld:
Die stromdurchflossene Spule besitzt einen Nord- und einen Südpol. Die Pole des
Dauermagneten und die Pole der Spule üben eine Kraft aufeinander aus. Infolge
dieser Kraft verdreht sich die Spule, bis sich ungleichnamige Pole gegenüberliegen.
Man spricht von Totlage. Diese Totlage überwindet die Spule aber von selbst, denn
infolge ihrer Trägheit dreht sie sich etwas darüber hinaus. Doch die Anziehungskräfte
zwischen den ungleichnamigen Polen zwingen die Spule in die Totlage zurück. Polt
man den Strom in dem Augenblick um, in welchem die Spule die Totlage erreicht hat,
stehen einander plötzlich gleichnamige Magnetpole gegenüber. Die
Abstoßungskräfte bewirken, dass sich die Spule weiterdreht.
Das Umpolen erfolgt durch den Stromwender oder Kommutator. Dieser besteht aus
einem Zylinder mit zwei voneinander isolierten Metallsegmenten, an die die Enden
der Spule leitend angeschlossen sind. Auf den Metallsegmenten schleifen die so
genannten Bürsten, die meist aus Kohle bestehen und mit den Stromzuleitungen
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verbunden sind. Nach jeder halben Umdrehung der Spule wird umgepolt. Solange
Strom fließt, dreht sich die Spule. Dieses Versuchsgerät ist ein einfacher
Gleichstrommotor.
Der Gleichstrommotor:
Das Magnetfeld der Drehspule und damit die Kraftwirkung werden wesentlich
verstärkt, wenn die Spule einen Eisenkern enthält. Die Spule mit Eisenkern und
Kommutator heißt Anker.
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Fließt Strom durch die Ankerspule, so erzeugt diese Spule ein Magnetfeld.
Ist der Anker in Totlage, so läuft der Motor nicht von selbst an. Der Anker muss
angestoßen werden. Daher besitzt der Anker eines Elektromotors mehrere Spulen,
die gegeneinander versetzt sind. Damit erreicht man ein gutes Anlaufen und einen
gleichmäßigen Lauf.
Elektromotoren besitzen fast immer anstelle des Dauermagneten einen
Elektromagneten. Dieser Magnet wird als Feldmagnet bezeichnet. Die Spule des
Feldmagneten heißt Feldspule. Nur bei Kleinmotoren ist der Feldmagnet ein
Dauermagnet.
Ankerspule und Feldspule werden an dieselbe Stromquelle angeschlossen. Werden
die beiden Spulen in Reihe geschaltet, so spricht man von einem
Hauptschlussmotor. Bei Parallelschaltung erhält man einen Nebenschlussmotor.
Hauptschlussmotor:
Anker und Feldmagnet werden hintereinander geschaltet.
Vorteil: schnelles, kräftiges Anziehen.
Nachteil: Drehzahl hängt stark von Belastung ab.
Verwendung: elektrische Strassenbahn, elektrische Bahn, Motoren für Aufzüge und
Kräne, Kleinmotoren im Haushalt.
Nebenschlussmotor:
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Anker und Feldmagnet werden parallel zueinander geschaltet.
Vorteil: auch bei großer Belastung stets gleich bleibende Drehgeschwindigkeit.
Verwendung: Werkzeugmaschinen, Hobel, Drehbänke, usw.
Der Gleichstrommotor mit Feldspule kann auch mit Wechselstrom betrieben werden.
Er heißt daher Universalmotor. Ankerspule und Feldspule werden immer gleichsinnig
vom Strom durchflossen. Daher ändert sich die Drehrichtung beim Umpolen der
Stromquelle nicht.
Ein freibeweglicher stromdurchflossener Leiter wird in einem Magnetfeld normal zur
Stromrichtung und normal zu den elektrischen Feldlinien bewegt.
Der Elektromotor ist eine der wichtigsten Anwendungen des Elektromagnetismus.
Die wesentlichen Teile eines Gleichstrommotors sind der Anker (Läufer oder Rotor),
der Stator (der feststehende Teil) und der Kommutator, der die Änderung der
Stromrichtung im Anker bewirkt.
Allstrommotoren können entweder mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom betrieben
werden.
Der Läufer:
Der drehbare Teil des Motors, der Läufer, besteht aus einer Spule, die über einen
Eisenkern gewickelt ist. Schleifringe am Läufer ermöglichen mittels Schleifkontakten
den Anschluss an eine Gleichstromquelle, z.B. eine Batterie. Der Läufer ist also ein
Elektromagnet aus zwei Spulen und einem an den Enden abgerundeten Eisenkern.
Wenn die Spulen Strom führen, bilden sich an den Rundungen Magnetpole aus; auf
der einen Seite ein Nordpol, auf der anderen Seite ein Südpol. Eine Umkehrung der
Stromrichtung bewirkt, dass die Pole ihre Plätze tauschen.
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Der Stromwender:
Der Stromwender besteht aus zwei voneinander isolierten Halbringen, den
Schleifringen, an die jeweils ein Anschluss der Spule gelötet ist. Durch
Schleifkontakte ist der Leiterkreis mit der Stromquelle geschlossen.
Die Schleifringe bewirken, dass nach einer halben Drehung die Stromrichtung in der
Spule umgekehrt wird. Dabei werden die Magnetpole des Läufers vertauscht. Dieses
Umpolen wiederholt sich bei jeder weiteren Halbdrehung. Insgesamt erfährt der
Läufer dadurch Kräfte immer nur in eine Richtung.
Praxisbezug:
Den ersten brauchbaren Elektromotor baute 1834 der Deutsche Moritz
Hermann von Jacobi.
Elektromotore im Haushalt: Staubsauger, Mixer, Küchengeräte, Fön,
Kompressorkühlschrank, Rasierapparat, Heizlüfter, usw.
Elektromotore in der Werkstatt: praktisch alle Werkzeugmaschinen werden
durch Elektromotore angetrieben: Bohrmaschinen, Fräsmaschinen,
Schleifmaschinen, Drehbänke, usw.
Elektromotore bei Spielwaren: elektrische Eisenbahn und elektrische Autos,
usw.
Elektromotore in Fahrzeugen: Elektrofahrzeuge sind mit Elektromotoren
angetriebene Schienen-, Strassen-, und Wasserfahrzeuge. Die Stromzufuhr
kann dabei von außen über Fahrdraht oder Schiene (Elektrolokomotive,
elektrische Bahnen, Oberleitungsbusse) oder aus mitgeführten
Stromspeichern erfolgen (Elektroauto, Bahnhoftransporter, Hubstapler).
Während die U-Bahn und die Strassenbahn mit Gleichstrom betrieben
werden, benutzen die ÖBB Wechselstrom.
Das Drehspulmessgerät.
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Eine Drehscheibe befindet sich im Feld eines Dauermagneten. Mit der Drehspule
verbunden ist ein Zeiger, der die Drehung der Spule anzeigt. Fließt Strom durch die
Spule, dann dreht sie sich, bis sie die Totlage erreicht. (vgl. Elektromotor)
Damit die Drehung von der Stromstärke abhängig ist, verbindet man die Drehspule
mit zwei Spiralfedern. Diese üben eine Rückstellkraft auf die Drehspule aus und
bilden zugleich die Stromzuführung zur Spule. Je mehr sich die Spule verdreht, desto
stärker werden die Spiralfedern gespannt und desto größer ist die Rückstellkraft. Das
heißt: Eine große Verdrehung erfordert eine große magnetische Kraftwirkung, also
eine große Stromstärke in der Spule.
Die Drehrichtung hängt von der Stromrichtung ab.
Das Drehspulmessgerät ist nur für Gleichstrom geeignet. Es kann nur dann für
Wechselstrom verwendet werden, wenn dieser vorher „gleichgerichtetû wird.
Nach dem Abschalten des Stromes wird die Drehspule durch die Spiralfeder in die
Ausgangslage zurückgedreht. Um ein starkes und gleichmäßiges Magnetfeld zu
erhalten, befindet sich innerhalb der Spule ein feststehender Weicheisenkern. Das
Drehspulmessgerät ist deshalb nur für sehr kleine Stromstärken (mA) geeignet.
Mit dem Drehspulmessgerät kann man auch Spannungen messen, da die
Stromstärke in der Spule durch eine bestimmte Spannung verursacht wird.
Induktion:
Befindet sich eine Leiterschaukel in einem Magnetfeld, so bewegt sie sich, wenn der
Strom ein- oder ausgeschaltet wird. Dabei ist der elektrische Strom die Ursache für
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die Bewegung im Magnetfeld. Man kann Ursache und Wirkung aber auch
vertauschen: Michael Faraday entdeckte 1831 diese Art der Spannungserzeugung:
Durch die Bewegung eines Leiters im Magnetfeld wird eine elektrische Spannung
induziert. Diese Spannung heißt Induktionsspannung, der von ihr hervorgerufene
Strom Induktionsstrom.
Man nennt dieses Prinzip das Induktionsprinzip: Ändert sich das Magnetfeld in der
Spule, entsteht zwischen den Spulenanschlüssen eine elektrische Spannung, eine
Induktionsspannung (lat. inducere = hineinführen). Die induzierte Spannung
verursacht in einem geschlossenen Leiterkreis einen Stromfluss.
Die in einer Spule induzierte Spannung ist umso größer, je rascher sich das
Magnetfeld in der Spule ändert, je mehr Windungen die Spule besitzt und je stärker
das Magnetfeld ist.
Beispiele für Anwendungen sind einfache Sprechanlagen oder die Datenspeicherung
auf Magnetbändern.
Der Generator:
Die Induktion in Spulen wird in der Elektrotechnik zur maschinellen Erzeugung von
Spannungen und damit von Strömen genutzt. Maschinen, die mechanische Energie
in elektrische Energie umwandeln, heißen Generatoren (lat. = Erzeuger).
Die Änderung der Anzahl der magnetischen Feldlinien innerhalb der Leiterschleife
hat eine Induktionsspannung zur Folge. Nach jeder halben Drehung kehrt sich - von
der Leiterschleife aus gesehen – die Richtung der magnetischen Feldlinien und damit
die Richtung des Induktionsstromes um. Wir erhalten als einen Strom, der seine
Richtung periodisch wechselt, einen Wechselstrom.
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Wie bei einem Elektromotor wird der feststehende Teil des Generators Stator, der
sich drehende Teil Läufer oder Rotor genannt.
Bei hohen Spannungen tritt bei der Stromabnahme an den Schleifringen eine starke
Funkenbildung auf. Diese kann man verhindern, in dem man statt den Leiterschleifen
das Magnetfeld rotiert. Man verlegt daher die Induktionsspulen in den Stator und die
Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldes in den Rotor. Dieser rotierende
Elektromagnet heißt auch Polrad. Durch diese Anordnung wird es möglich, dass die
induzierte Wechselspannung ohne Schleifringe direkt an den Enden der unbewegten
Wicklungen des Stators abgenommen werden kann. Die Regelung der Spannung
erfolgt durch Änderung der Stärke des rotierenden Magnetfeldes. Die Frequenz des
Wechselstromes hängt von der Drehzahl des Läufers ab.
Die für den rotierenden Elektromagnet notwendige Gleichspannung wird meistens
von einem eigenen Gleichstromgenerator erzeugt. Sie ist verhältnismäßig niedrig und
kann daher ohne wesentliche Funkenbildung über Schleifringe zugeleitet werden.
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In wirklichen Generatoren ist die Leiterschleife durch eine oder mehrere Spulen mit
Eisenkern ersetzt. Anstelle eines Feldmagneten gibt es eine oder mehrere
Feldspulen.
Es gibt zwei Arten von Generatoren: Außenpol- und Innenpolgeneratoren.
In einem Außenpolgenerator sind die magnetischen Pole außen angeordnet, im
Inneren dreht sich die Induktionsspule. Es ist aber auch die umgekehrte Anordnung
möglich: Im Inneren dreht sich der Läufer mit den Feldspulen, während die
Induktionsspulen außen am Stator angebracht sind. Da sich die Pole des Läufers an
den Spulen des Ständers vorbeidrehen, ändert sich die Stärke des Magnetfeldes im
Inneren dieser Spulen ständig. Es wird Spannung induziert.
Ein Beispiel für einen Wechselstromgenerator ist der Fahrraddynamo. Seine
Wicklungen sind auf einem Anker angebracht, der sich im Feld eines starken
Permanentmagneten dreht. Die Enden der Wicklungen werden zu Schleifringen
geführt, von denen der Strom über Bürsten aus Kohle abgenommen wird. Es gibt
aber auch Dynamos, bei denen ein Dauermagnet rotiert und der Wechselstrom an
den Spulen des Stators abgenommen wird.
Gewinnung und Transport elektrischer Energie:
Fakten:
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Im langjährigen Mittel steigt der Verbrauch an elektrischer Energie in
Österreich jährlich um 2,5 bis 3 %.
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Wieviel der Verbrauch an elektrischer Energie in einem Jahr tatsächlich
zunimmt, hängt von der Wirtschaftslage ab. Ist die Wirtschaftslage gut, steigt
der Bedarf an elektrischer Energie rascher.
Grundlast: Unter Grundlast versteht man die Mindestleistung, die dem
Verbundnetz immer abverlangt wird.
Spitzenlast: Die Spitzenlast ist der erhöhte Leistungsbedarf über die Grundlast
hinaus.
Kraftwerke:
In allen Kraftwerken wird durch Generatoren mechanische Energie in elektrische
Energie umgewandelt. Die einzelnen Kraftwerke unterscheiden sich nur in der Art der
zugeführten Energie und der Bauweise der Turbinen, die die Drehbewegung für die
Generatoren erzeugen.
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Je nach Art des Antriebes der Turbinen können die Kraftwerke in drei große Gruppen
eingeteilt werden:
Wasserkraftwerke: Der Antrieb der Turbinen erfolgt durch die Wasserkraft.
Wärmekraftwerke oder kalorische Kraftwerke: Als Antrieb für die Turbinen wird
Wasserdampf verwendet, zu dessen Herstellung Wärme notwendig ist. Diese Wärme
wird durch Verbrennung von Kohle (Kohlekraftwerke), Heizöl (Ölkraftwerk) oder
Erdgas (Gaskraftwerk) gewonnen.
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Kernkraftwerke: (Atomkraftwerke) arbeiten wie Wärmekraftwerke, nur wird die zur
Dampfherstellung nötige Wärmemenge aus Kernprozessen gewonnen.
Elektrische Energie lässt sich nicht in größeren Mengen speichern. Sei muss daher
immer genau dann erzeugt werden, wenn sie benötigt wird. In Österreich dienen in
erster Linie Flusskraftwerke und zweiter Linie Wärmekraftwerke (kalorische
Kraftwerke) zur Gewinnung elektrischer Energie. Sie decken die Grundlast.
Im Winter, wenn die Flüsse wenig Wasser führen, müssen verstärkt
Wärmekraftwerke eingesetzt werden.
Zur Abdeckung des über die Grundlast hinausgehenden Bedarfs an elektrischer
Energie, der Spitzenlast, dienen Speicherkraftwerke. Bei einem Speicherkraftwerk
wird Wasser hinter einer Schleuse gestaut. Da der Höhenunterschied zwischen dem
Stausee und dem eigentlichen Kraftwerk möglichst groß sein soll, gibt es
Speicherkraftwerke nur in gebirgigen Gegenden.
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In allen Kraftwerken sind die Läufer der Generatoren mit Turbinenrädern verbunden.
In Flusskraftwerken sind dies Kaplan – Turbinen, in Wärmekraftwerken
Dampfturbinen. In Speicherkraftwerken mit einer geringen Fallhöhe verwendet man
Francis – Turbinen, bei großer Fallhöhe verwendet man Pelton – Turbinen.
Praxisbezug: Die Standortwahl
Bei der Wahl eines Kraftwerk – Standortes sind verschiedene, zum Teil
gegensätzliche Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Wasserkraftwerke können
beispielsweise nur an Orten errichtet werden, die sich für das Aufstauen eines
fließenden Gewässers eignen. Um Transportkosten zu sparen, ist es sinnvoll,
Kohlekraftwerke in der Nähe des Bergbaus, Ölkraftwerke in der Nähe der Raffinerien
zu errichten. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit sollten Wärmekraftwerke nahe
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an den Verbraucherstellen, also in der Nähe von Städten entstehen, vom Standpunkt
des Umweltschutzes ist wegen der Umweltbelastung ein größerer Abstand
wünschenswert.
Besonders umstritten ist der Bau von Kernkraftwerken, da auch Länder, die selbst
auf den Bau von Kernkraftwerken verzichten, sich durch Kernkraftwerke der
Nachbarstaaten bedroht fühlen können.
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Welche Kraftwerke lässt man zu welcher Zeit laufen?
Flusskraftwerke: in den Staustufen unserer Flüsse liefern sie ständig elektrische
Energie ins Netz. Würden sie abgeschaltet, liefe das Flusswasser unnütz über das
Wehr. Daher eignen sie sich zur Deckung der Grundlast.
Die Menge der gewonnenen Energie ist von der jeweiligen Wassermenge der Flüsse
abhängig, sie steigt bei Regen und Schneeschmelze und bei Trockenheit und Kälte
nimmt sie ab.
Der Wirkungsgrad ist sehr gut, er liegt bei 85 – 95 %.
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Wärmekraftwerke: werden mit Kohle, Heizöl oder Erdgas betrieben. Sie steuern
sowohl zur Deckung der Grundlast (im Winter, wenn die Flüsse Niederwasser führen)
als auch zur Spitzenlast bei. Ihre „Anfahrtszeitenû liegen im Stundenbereich.
Wärmekraftwerke sind nicht so umweltfreundlich wie Wasserkraftwerke (Rauchgase),
und auch der Wirkungsgrad ist um einiges schlechter:
Wirkungsgrad bei Dampfturbinen 25 – 25 %
Wirkungsgrad bei Gasturbinen 36 – 42 %
Die Baukosten sind geringer, der Aufwand für Brennstoffe und Personal höher als bei
den Wasserkraftwerken.
Speicherkraftwerke: am Fuß von Stauseen im Hoch- oder Mittelgebirge (z.b. Kaprun)
decken sie die Verbrauchsspitzen während der „Mittagsbergeû. Ihre Turbinen lassen
sich nämlich innerhalb von Minuten von Leerlauf auf Höchstlast bringen. Schnelle
Lasterhöhungen können deshalb besonders gut abgefangen werden.
Speicherkraftwerke sind nicht dauernd in Betrieb. Wenn sie stillstehen, wird kein
Wasser vergeudet; es bleibt für später im Stausee.
Pumpspeicherkraftwerke: können überschüssige elektrische Energie speichern.
Dabei wird zum Beispiel nachts von Flusskraftwerken erzeugte elektrische Energie,
sogenannter „Nachtstromû, dazu verwendet, Wasser in hochgelegene Staubecken zu
pumpen. Dieses Wasser steht dann tagsüber zusätzlich zur Verfügung: Aus billigem
Nachtstrom wird teurer Tagstrom.
Kernkraftwerke: sind mit Kernenergie betriebene Wärmekraftwerke. Die Wärme wird
dabei nicht durch einen Verbrennungsvorgang, sondern durch Kernspaltung von
Uran bzw. Plutonium in einem Reaktor gewonnen und zur Erzeugung von
Wasserdampf verwendet. Der Wasserdampf treibt dann, genau wie bei einem
Wärmekraftwerk, die Turbinen an.
Außer Wärme entsteht aber bei der Kernspaltung auch noch eine für den Menschen
sehr gefährliche Strahlung, die radioaktive Strahlung, die auch noch von den
abgebrannten Brennelementen ausgesendet wird. Schutzmaßnahmen beim Bau von
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Kernkraftwerken und Vorsorge für die Lagerung des abgebrannten Reaktormaterials
sind daher von größter Bedeutung.
Weitere (mögliche) Energiequellen:
Sonnenenergie, Windenergie, Erdwärme, Kleinkraftwerke (Abfälle, Stallmist, Stroh).
Wozu braucht man Hochspannungsleitungen?
In Haushalt und Industrie wird eine Spannung von 220 V oder 380 V verwendet.
Die Spannung in Hochspannungsleitungen beträgt aber 110 000 V, 220 000 V oder
sogar 380 000 V. Die riesige Stromstärke, die man benötigt, um den Leistungsbedarf
z.b. einer Ortschaft abzudecken, würde sehr dicke Leitungsdrähte erfordern. Dicke
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Leitungen sind aber teuer, überdies würden sich die Leitungsdrähte stark erwärmen,
was wiederum hohe Energieverluste bedeuten würde (Leitungsverluste).
Wird die Leistung aber durch eine Hochspannungsleitung übertragen, ist die
Stromstärke viel kleiner und damit sind auch die Leitungsverluste sehr viel geringer.
In einem Umspannwerk neben dem Kraftwerk formen Transformatoren eine
Niederspannung in eine Hochspannung um. Nun wird die elektrische Energie in das
Verbrauchergebiet übertragen. Dort wird die Hochspannung in einem weiteren
Umspannwerk in eine mittlere Spannung von 5 000 bis 30 000 V umgeformt. Von
diesen aus erhalten die einzelnen Ortsnetze elektrische Energie mit den
Spannungen 220 V und 380 V.
Das Österreichische Verbundnetz:
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Da ständig Verbraucher ein – und ausgeschaltet werden, ändert sich die Belastung
laufend. Die Leistungsabgabe eines Kraftwerkes kann aber nicht so einfach
verändert werden. Ein Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch ist umso
leichter möglich, je mehr Kraftwerke zusammengeschaltet werden. Dieser Ausgleich
erfolgt in Österreich durch das Verbundnetz. Es besteht aus 220 000 V und 380 000
V Leitungen. Unser Verbundnetz ist aber auch in das große westeuropäische
Verbundnetz eingebunden. Weiters ist ein Stromaustausch mit dem osteuropäischen
Verbundnetz möglich. Durch diesen internationalen Verbundbetrieb werden nicht nur
Belastungsschwankungen ausgeglichen, es kann auch der plötzliche Ausfall eines
großen Kraftwerkes verkraftet werden.
Zu den Aufgaben der österreichischen Verbundgesellschaft gehören u.a. die
Ermittlung des gegenwärtigen und zukünftigen Strombedarfs, der Ausgleich
zwischen Erzeugung und Verbrauch des zur Verfügung stehenden Stromes im
Verbundnetz, die Errichtung und der Betrieb von Verbundleitungen, Umspann- und
Schaltwerken und Großkraftwerken.
Rund die Hälfte der in Österreich benötigten Energie kann durch Laufkraftwerke
gedeckt werden. Es sind dies, wie oben bereits erwähnt, Wasserkraftwerke ohne
Speichermöglichkeit, in denen der Wasserzuschuss nur zum Zeitpunkt seines
Anfalles ausgenützt wird. (z.B. Donaukraftwerke Ybbs-Persenbeug & Altenwörth)
Die Leistungsfähigkeit von Laufkraftwerken ist Schwankungen unterworfen, da z.b.
im Winter die Zuflüsse stark zurückgehen. Ungefähr ein Viertel des Bedarfs decken
Wärmekraftwerke (z.b. Mellach, Dürnrohr oder Voitsberg). Die Erzeugung des für
den Antrieb der Turbinen benötigten Dampfes erfolgt mit der beim Verbrennen von
Kohle, Erdöl oder Erdgas freiwerdenden Wärme.
Zur Deckung des zu bestimmten Zeiten, z.b. während der Morgen- und
Abendstunden, auftretenden Spitzenverbrauches dienen die Speicherkraftwerke.
Hierbei unterscheidet man zwischen Tages- und Wochenspeichern, die den
Spitzenverbrauch während eines Tages bzw. einer Woche ausgleichen, und
Jahresspeicherwerken, die die Anpassung an die jahreszeitlichen Schwankungen
des Verbrauches ermöglichen. Beispiele für Kurzzeitspeicher sind ein Speicher des
Speicherkraftwerkes Gerlos (Wochenspeicher) und die sogenannten
Schwellkraftwerke (Schwabeck, Lavamünd an der Drau und Großraming an der
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Enns), die in Zeiten niedriger Wasserführung den nutzbaren Zufluss während einiger
Stunden aufstauen, um anschließend kurzfristig eine höhere Leistung abgeben zu
können.
3. Arbeiten mit dem Motor
Beschreibung des Geräts:
Die Gerätesammlungen „Elektrolehrmaschinenû (ELM) dienen der einfachen und
übersichtlichen Darstellung von Aufbau, Arbeits- und Wirkungsweise von
Generatoren und Motoren. Mit verhältnismäßig wenigen und in ihrer Funktion leicht
zu durchschauenden Einzelteilen lässt sich eine erstaunlich große Anzahl wertvoller
Versuche durchführen, bei denen sich der Vorteil einer Modellmäßigen
Vereinfachung mit großer Wirklichkeitstreue vereint. Die Anwendung physikalischer
Vorgänge einerseits und die Arbeitsweise gebräuchlicher Maschinen in der Technik
andererseits können gleichermaßen anschaulich demonstriert werden.
Das Aufbauprinzip der ELM besteht darin, dass alle Einzelteile der aufzubauenden
Maschinen an senkrecht stehenden Grundbrettern angebracht werden. Die folgende
Aufstellung gibt einen Überblick über das vorhandene Zubehör:
1. Das Grundbrett:
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Das Grundbrett besteht aus zwei rechwinkeligen miteinander verbundenen
Holzplatten A und C, zugehörig sind 1 Bürstenbrücke und 6 Schrauben.
Die kleinere, etwa 14 x 22 cm² große Platte A dient als Fuß, während die 22 x 23 cm²
große Platte der Montage dient. An der Vorderseite der Montageplatte ist eine runde
Eisenplatte E mit acht Gewindebohrungen zur Befestigung der Polschuhe mit
Scheibenmagneten oder mit Spulen, sowie eine gehärtete, polierte Achse F von 8
mm Ø zum Aufsetzen der Rotoren angebracht.
Die vier Buchsenpaare D (Anschlussbuchsen) an der Vorderseite haben keine
elektrischen Verbindungen innerhalb der Platte. Sie werden als Stütz- und
Anschlusspunkte für Experimentierschnüre mit 4 mm Stecker verwendet. Das
Einstecken ist sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite möglich.
Die in den Schmalseiten vorhandenen Buchsen B (Lampenbuchsen) besitzen
ebenfalls keine elektrischen Verbindungen nach innen. Sie werden zum Aufstecken
der kleinen Glühlampenfassung auf das Brett benützt.
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Die Bürstenbrücke G aus Leichtmetall besitzt sowohl die Haltermöglichkeit für
Bürsten, die an den Kollektor angreifen sollen (a und b), als auch für den Anschluss
an die Schleifringe (c, d und e). Zum Befestigen an der Achse dient eine
Rändelschraube.
Die 6 vernickelten, ca. 35 mm langen Schrauben H werden für die Befestigung der
Polschuhe mit Scheibenmagneten oder mit Spulen an der Frontplatte des
Grundbrettes benützt.
2. Das Zubehör zum Grundbrett:
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Das Zubehör zum Grundbrett umfasst Ölkännchen, Schraubenschlüssel,
Glühlampenfassung, Glühlampen, Zentrierschraube und Tischklemme.
Das Ölkännchen füllt man nach Abschrauben der Überwurfmutter und Umkehrung
der Spitze mit Nähmaschinenöl.
Der Schraubenschlüssel ist als Steckschlüssel für die Sechskantschrauben
bestimmt.
Die beiden Glühlämpchen dienen vorwiegend zum qualitativen Nachweis des
erzeugten Stromes. Mit den Steckern wird die Fassung in den Lampenbuchsen B
des Grundbrettes befestigt.
Die Zentrierscheibe mit einem Durchmesser von 90,5 mm besteht aus Leichtmetall.
Sie hat einen Rohransatz und zwei Grifflöcher. Für die einwandfreie Montage der
Polschuhe ist sie unerlässlich.
Die Tischklemme ist zur Befestigung des Grundbrettes an der Tischplatte dann
erforderlich, wenn die aufgebaute Maschine mit mechanischer Kraft angetrieben
wird.
3. Die Bürste:
Die Bürste ist eine Kohlebürste, die federnd in einen Isolierschaft eingesetzt ist. Sie
besitzt ein ca. 25 cm langes Bürstenkabel mit einem 4 mm Bananenstecker.
4. Die Scheibenmagnete:
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Die Scheibenmagnete bestehen aus in Kunstharze eingebetteten, modernen
Magnetmaterialien. Der Nordpol ist durch einen roten Farbring gekennzeichnet.
5. Die Spulen:
Die Spulen befinden sich in einem Spulenkörper mit zwei isolierten
Anschlussbuchsen. Von der roten Buchse aus betrachtet, ist der Wicklungssinn
rechtslaufend, von der weißen Buchse aus dementsprechend linkslaufend, d.h. bei
einer Verbindung der weißen Buchse mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle
und der roten mit dem negativen Pol besitzt die Spule an der Anschlussseite einen
magnetischen Nordpol.
6. Die breiten Polschuhe ohne Ansatz:
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Zusammen mit den breiten Polschuhen ohne Ansatz werden die Scheibenmagnete
am Grundbrett befestigt, sodass die Magnete an den geschliffenen Flächen der
Polschuhe anliegen.
7. Die breiten Polschuhe mit Ansatz:
Die breiten Polschuhe mit Ansatz werden in Verbindung mit den Spulen entweder
paarweise gegenüber angeordnet oder drei Stück werden um je 120° gegeneinander
versetzt verwendet.
8. Der Zweipolrotor:
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Der Zweipolrotor ist doppel – T – förmig und hat eine durchgehende Wicklung, deren
Ende elektrisch sowohl mit den Schleifringen als auch mit den beiden
Kollektorstegen verbunden ist. Der dritte Schleifring ist bedeutungslos und deshalb
lackiert.
9. Der Dreipolrotor:
Der Dreipolrotor enthält drei Spulen in Dreiecksschaltung. Die Enden von zwei
benachbarten Spulen sind immer gemeinsam an einen Schleifring und an einen
Kollektorsteg gelegt.
10. Außerdem: Der Trommelmotor:
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und der Kurzschlussmotor:
11. Die Drehfeldlasche:
Die Drehfeldlasche ist ein Flacheisen mit einem Lager in der Mitte und zwei
Gewindebohrungen. Mit Scheibenmagneten und Polschuhen ohne Ansatz kann ein
mechanisch bewegtes Drehfeld geschaffen werden.
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12. Handantrieb:
Das Vorgelege mit Handantrieb kann bei allen Generatorversuchen zum Antreiben
des Rotors benutzt werden.
Mit Hilfe der Tischklemme wird das Vorgelege fest an einer Tischkante befestigt. Die
zweistufige Riemenscheibe besitzt Freilauf für beide Richtungen. Über den
zugehörigen Treibriemen wird die Riemenscheibe mit dem anzutreibenden Rotor
verbunden.
13. Das Demonstrationsdrehspulmessgerät:
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Handhabung:
Die Achse des Grundbrettes soll erforderlichenfalls mit einem Lappen von
eingedickten Ölrückständen befreit werden. Dann werden 1 – 2 Tropfen
Nähmaschinenöl auf der Achse verteilt.
Bei Generatorantrieb wird das Grundbrett mit Hilfe der Tischklemme auf seiner
Unterlage befestigt. Die Riemenscheibe des Rotors und die des Antriebs müssen in
einer Ebene liegen und zwar so, dass der Treibriemen parallel zur Montageplatte
des Grundbrettes verläuft.
Die Spannung des Treibriemens ist so zu wählen, dass der Rotor der
Antriebsbewegung unverzüglich ohne Schlupf, aber auch ohne spürbaren
Widerstand folgt.
Die Montage der Polschuhe mit den Scheibenmagneten bzw. mit den Spulen darf
nur bei aufgesetzter Zentrierscheibe erfolgen. Man schiebt diese mit ihrem
zylindrischen Ansatz zur Grundplatte hin auf die Achse auf. Die Polschuhe werden
mittels der zugehörigen Schrauben (Schraubenschlüssel benützen!) so befestigt,
dass ein möglichst großer Teil ihres inneren Randes die Zentrierscheibe so fest
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umschließt, dass diese nach beendeter Montage der Polschuhe mit spürbarem
Widerstand von der Achse gezogen werden kann.
Es ist notwendig, dass die Polschuhe verschiedene Polung haben, z.b. der obere
einen Nordpol – der untere einen Südpol.
Bei den Spulen erreicht man die entsprechende Polung mit diesen Schaltungen:
Die empfindlichsten Teile der ELM, die Bürsten, müssen besonders sorgfältig
behandelt werden. Grundsätzlich sollte man sie von Zeit zu Zeit erneuern und mit
Schmirgelpapier glatt schleifen.
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4. Wie erkläre ich den Stoff?
Zu diesem Thema gibt es sehr viele, einfache Versuche, die auch für Schüler
geeignet sind (Gebiet: Magnetismus). Zusätzlich bieten die ELM (sofern sie
vorhanden sind) eine sehr gute Möglichkeit, den Schülern dieses Themengebiet
plastisch näher zu bringen. Eine Möglichkeit sehe ich auch darin, dass sich zu dem
Thema Generatoren / Motoren auch einige „lebendigeû Anschauungsmodelle (Wieso
fährt ein Auto?) einbringen lassen.
5. Tafelbild & 6. Folien
Da kein Tafelbild gefordert wurde, werde ich in diesem Protokoll auch keines
anführen, die Skizzen in diesem Protokoll (vgl. Versuche und Theoretische
Grundlagen für den Lehrer) sollten die Vorbereitung aber etwas erleichtern.
7. Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Überblick über die durchgeführten Experimente und deren ungefähre
Dauer. (Aufgelistet sind nur die Unterstufenversuche. Baut man die Versuche zum
allerersten Mal auf, muss man mit min. + 10 min rechnen!)
(ohne Aufbau / mit Aufbau)
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Generator mit Permanentmagnet:
o 1. Wechselstromerzeugung 10 min / 18 min
o 2. Gleichstromerzeugung 10 min / 18 min
Generator mit Elektromagnet:
o 3. Außenpolgenerator 10 min / 18 min
o 4. Innenpolgenerator 10 min / 18 min
Elektromotor mit Permanentmagnet:
o 5. Der einfache Gleichstrommotor 10 min / 18 min
o 6. Der selbst anlaufende Gleichstrommotor 10 min / 18 min
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchführungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
I. Generator mit Permanentmagnet:
In einer Spule, die sich in einem Magnetfeld so bewegt, dass ihre Windungen von
den magnetischen Feldlinien geschnitten werden, wird eine Spannung induziert.
1. Wechselstromerzeugung
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(1)
Material:
Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben
Tischklemme
2 Bürsten
2 Scheibenmagnete
2 breite Polschuhe ohne Ansatz
Zweipolrotor
Vorgelege mit Handantrieb
Demonstrationsdrehspulmessgerät
Experimentierkabel
Aufbau:
Zunächst wird die Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun
werden die Scheibenmagnete samt den breiten Polschuhen ohne Ansatz mit je einer
Schraube am Grundbrett so befestigt, dass die Abstände der Polschuhe von der
Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind und sich diese leicht drehen lässt.
Magnete so aufsetzen, dass die Polschuhe ungleichnamige Pole bilden (als
Orientierungshilfe dient der rote Ring am Magneten). Dann ersetzt man die
Zentrierscheibe durch den Zweipolrotor, befestigt den Keilriemen und zuletzt die
Bürstenbrücke.
(2)
Versuch:
Zwei Kohlebürsten werden in zwei Schleifringkontakte der Bürstenbrücke eingesetzt.
Die anderen Enden führt man an die vorgesehenen Kontaktstellen am Grundbrett.
Von dort stellt man eine leitende Verbindung zum Amperemeter her (Messbereich
0,03 A Gleichstrom).
Bewegt man den Rotor, der zu Beginn der Versuche senkrecht im Polfeld stehen soll,
nicht zu schnell mit der Hand, so zeigt das Messgerät einen Ausschlag, der nach
einer Rotordrehung um 90° am größten ist, nach einer weiteren Vierteldrehung auf
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null absinkt und nach weiterer Drehung um 90° ein Maximum in entgegengesetzter
Richtung erreicht. Nach einer Gesamtumdrehung um 360° beträgt die Stromstärke
wieder null. Es fließt also ein Strom, der nach jeder halben Umdrehung des Rotors
seine Richtung ändert.
Treibt man den Rotor mit dem Handvorgelege an, so fließt ein im 1 A Wechselstrom
Messbereich des Strommessers nachweisbarer Wechselstrom, der mit zunehmender
Drehfrequenz stärker wird.
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Ausschlag bei 90° 2 mA
180° 0 mA
270° - 2 mA
360° 0 mA
Mit Antrieb erhielten wir einen Wechselstrom von 1 A. (Maximum – bei schnellem
Drehen)
2. Gleichstromerzeugung
(1)
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Material:
(siehe oben)
Aufbau:
(siehe oben)
(2)
Versuch:
Die Enden der Rotorwicklungen sind außer mit den Schleifringen mit zwei
gegeneinander isolierten Ringhälften, dem Kollektor, verbunden. Am Kollektor kann
Gleichspannung abgenommen werden. Die durch Drehen des Rotors erzeugte
Generatorspannung wird am Kollektor abgenommen. Dazu ist es erforderlich, dass
die in den gegenüberliegenden Halterungen der Bürstenbrücke befestigten Bürsten
genau parallel zur Richtung des Magnetfeldes stehen.
Man verbindet die Bürsten mit dem 0,03 A Gleichstrombereich des Strommessers
und dreht den zunächst senkrecht stehenden Rotor mit der Hand. Der Strommesser
zeigt bei einer Rotordrehung um 90° ein Maximum, bei 180° null, bei 270° wieder
das gleiche Maximum und bei 360° wieder null. Die zweite Halbphase des
Wechselstromes wird also „umgeklapptû.
Bei Antrieb des Rotors durch das Handvorgelege fließt ein im 1 A
Gleichstrommessbereich des Strommessers nachweisbarer Gleichstrom, der mit
zunehmender Drehfrequenz stärker wird.
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Ausschlag bei 90° 2 mA
180° 0 mA
270° 2 mA
360° 0 mA
Mit Antrieb erhielten wir einen Gleichstrom von 0,6 A. (Maximum – bei schnellem
Drehen)
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II. Generator mit Elektromagnet:
Es wird zunächst die Funktionsweise eines Außenpolgenerators gezeigt. Dies hat
jedoch technisch keine große Bedeutung, da der gesamte erzeugte Strom über die
Bürsten fließt und diese zu stark belastet.
Wirtschaftliche Bedeutung hat jedoch der Innenpolgenerator. Bei diesem dreht sich
ein von Gleichstrom durchflossener Zweipolrotor zwischen zwei gegenüberliegenden
Spulen und induziert darin eine Spannung.
1. Außenpolgenerator
(1)
Material:
Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben
Tischklemme
2 Bürsten
2 Spulen mit 250 Windungen
2 breite Polschuhe mit Ansatz
Zweipolrotor
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Vorgelege mit Handantrieb
Kleinspannungsstelltrafo
Demonstrationsdrehspulmessgerät
Experimentierkabel
Aufbau:
Zunächst wird die Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun
wird je eine Spule von 250 Windungen auf den Ansatz eines breiten Polschuhes
gesetzt und mit dem Grundbrett verschraubt. Man beachte, dass die Abstände der
Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind und sich diese daher
leicht drehen lässt. Dann ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Zweipolrotor,
befestigt den Keilriemen und zuletzt die Bürstenbrücke.
(2)
Versuch:
Man verbindet die weißen Buchsen der Feldspulen miteinander. An die roten
Buchsen legt man eine Gleichspannung von 2 – 4 V. Damit ist gewährleistet, dass
die beiden Magnete verschiedene Polarität besitzen. Die beiden Kohlebürsten
werden in die Schleifringkontakte gesteckt und mit dem Amperemeter (Messbereich
0,03 A Gleichstrom) verbunden. Beim langsamem Drehen des Rotors kann man mit
dem Messgerät die einzelnen Spannungsstöße in Form von ständiger
Zeigerbewegung beobachten. Die Spannung erreicht ihr Maximum, wenn sich der
Rotorkopf in der Nähe der Spule befindet und ihr Minimum, wenn er sich um 90°
weitergedreht hat. Nach einer weiteren Vierteldrehung entsteht ein Maximum in
entgegengesetzter Richtung usw. An den Schleifringen kann also Wechselspannung
abgegriffen werden. Treibt man den Rotor mit Handvorgelege an, so fließt ein im 1 A
Wechselstrombereich des Strommessers nachweisbarer Strom, der mit
zunehmender Drehfrequenz stärker wird.
Am Kollektor kann ein pulsierender Gleichstrom abgenommen werden.
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
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Wir haben 2 V Gleichspannung angelegt und konnten einen pulsierenden Ausschlag
von + / - 2 mA feststellen.
Mit Handantrieb erreichten wir 0,35 A. (Maximum bei schnellem Drehen)
2. Innenpolgenerator
(1)
Material:
(siehe oben)
Aufbau:
(siehe oben)
(2)
Versuch:
Die weißen Buchsen der Induktionsspulen werden miteinander verbunden. Die roten
Buchsen verbindet man über ein Messinstrument miteinander.
Den Schleifringen des Rotors wird über die Bürsten eine Gleichspannung von 2 – 4 V
zugeführt. Die Durchführung des Versuchs erfolgt genauso wie oben.
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Wir haben 4 V Gleichspannung angelegt und bemerkten dieselben Ausschläge wie
oben. Mit dem Handantrieb erreichten wir 0,1 A. (Maximum bei schnellem Drehen)
III. Elektromotor mit Permanentmagnet:
Man untersucht das Verhalten einer vom Gleichstrom durchflossenen drehbar
gelagerten Spule in einem Permanentmagnetfeld.
1. Der einfache Gleichstrommotor
(1)
Material:
Grundbrett mit Bürstenbrücke und 2 Schrauben
2 Bürsten
2 Scheibenmagnete
2 breite Polschuhe ohne Ansatz
Zweipolrotor
Dreipolrotor
Kleinspannungsstelltrafo
Demonstrationsdrehspulmessgerät
Experimentierkabel
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Aufbau:
Motor entsprechend der Abbildung aufbauen. Montage der Polschuhe nur bei
aufgesteckter Zentrierscheibe vornehmen. Magnete so aufsetzen, dass Polschuhe
ungleichnamige Pole bilden (als Orientierungshilfe dient der rote Ring am Magneten).
Eine Gleichspannung von ca. 5 V wird an den Kollektor angelegt.
(2)
Versuch:
Gemäß dem Versuchsaufbau wird der Zweipolrotor verwendet. Spannungsquelle
einschalten, Rotor mit der Hand anwerfen. Bürstenstellung ermitteln, bei der das
Bürstenfeuer am geringsten ist.
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Eine stromdurchflossene Spule (Rotor) erfährt im Feld eines Permanentmagneten
ein Drehmoment, das eine Drehbewegung des Rotors bewirkt.
Die erforderliche Änderung der Stromrichtung im Rotor und damit des Magnetfeldes
wird durch den Kollektor bestimmt.
Durch Umpolen der Spannungsquelle kann der Drehsinn des Motors geändert
werden.
2. Der selbst anlaufende Gleichstrommotor
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(1)
Material:
(siehe oben)
Aufbau:
(siehe oben)
(2)
Versuch:
Gemäß dem Versuchsaufbau wird der Dreipolrotor verwendet. Spannungsquelle
einschalten. Günstige Bürstenstellung einstellen.
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Während der Zweipolrotor im Allgemeinen nicht ohne mechanischen Anstoß anläuft,
wird dieses Selbstanlaufen mit dem Dreipolrotor immer erreicht, da bei jeder
Rotorstellung ein Drehmoment wirksam ist.
Durch Umpolen an der Spannungsquelle kann wieder der Drehsinn des Motors
geändert werden.
Das Voltmeter zeigte uns einen Wert von 4,5 V (5 V angelegt).
8. Experimentelle Schwierigkeiten
Die Scheibenmagnete montiert man so, dass sie auf der einen Seite an das
Grundbrett, auf der anderen an die geschliffene Seite der Polschuhe grenzen.
Man sollte die Messgeräte vorher ausprobieren (manche funktionieren zu
ungenau). Außerdem genügen mechanische anstatt von digitalen Geräten.
Ein häufiger Fehler ist, wenn man den Wicklungssinn der Spulen nicht
beachtet.
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Tipp: Alte Kohlen sollte man immer wieder schleifen, aber je mehr man sie
abnützt, desto dünner werden sie. Es kann passieren, dass sie irgendwann
aus den Halterungen herausrutschen, deshalb sollte man dann die Kohlen
nicht mehr senkrecht, sondern waagrecht in den Bürstenkopf einsetzen, d.h.
die Bürstenbrücke um 90° versetzt monieren.
Den Handantrieb sollte man wirklich fest montieren, beim Kurbeln löst er sich
sonst sehr leicht von der Tischkante.
Wenn eine Schaltung nicht auf Anhieb funktioniert, sollte man zuerst
9. Medien
mehrmals den Aufbau kontrollieren, er war zumindest für uns eine potentielle
Fehlerquelle.
(vgl. Folien und Tafelbild)
10. Was diktiere ich ins Heft?
Da keine Mitschrift für die Schüler gefordert wird, werde ich diese nicht extra
angeben. Die „Theoretischen Grundlagen für den Lehrerû sollten die
Zusammenstellung aber erleichtern.
11. Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschläge
12. Anhang
(vgl. Experimentelle Schwierigkeiten)
Fotos zu den Versuchen
vgl. www.zum.de
26.10.2002 54 / 54

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Literaturverzeichnis:
Gollenz, u.a. (2.Auflage 1991; Nachdruck 1992). Lehrbuch der Physik, 4. Klasse AHS,
Lehrbuch Physik und Chemie, 4 Klasse HS. Wien: Verlag Hölder – Pichler – Tempsky.
ISBN.: 3-209-00727-6 bzw. ISBN.: 3-209-00726-8
Bader & Walz (1998). Blickpunkt Physik 4 (AHS), Blickpunkt Physik und Chemie 4 (HS).
Wien: Verlag E. Dorner.
ISBN.: 3-7055-0193-3 bzw. ISBN.: 3-7055-0195-X
Gollenz, OStr. Dr. Franz, Konrad, OStr. Franz & Breyer, Mag. Gustav (1. Auflage 1980),
Lehrbuch der Physik für allgemeinbildende höhere Schulen, 3. Teil für die 4. Klasse. Wien:
Verlag Hölder – Pichler – Tempsky.
ISBN.: 3-7029-0141-8 bzw. ISBN.: 3-7034-8853-0
Obendrauf, Arge, Wolfbauer, Arge & u.a. (2. Auflage 1992). Physik heute 4 (für AHS), Physik
und Chemie heute 4 (für HS – zweibändig). Salzburg. Salzburger Jugend - Verlag im Veritas
Verlag (Linz).
ISBN.: 3-7021-1627-3 bzw. ISBN.: 3-7021-1602-8
Paill, Schmut & Wahlmüller (1991). Physik 4. Wien: Verlag E. Dorner.
ISBN.:3-7055-0063-5
Albrecht, u.a. (1999). Von der Physik und Chemie 4 (für HS – zweibändig), Von der Physik 4
(für AHS). Wien: Verlag E. Dorner.
ISBN.: 3-7055-0173-9 bzw. ISBN.: 3-7055-0128-3
Ludick, Dopler, Hinterbuchinger & Reitinger (1991). Begegnung mit Physik 4, Begegnung
mit Chemie 4 (für HS – zweiteilig), Begegnungen mit Physik 4 (für AHS). Linz: Veritas
Verlag.
ISBN.: 3-85329-651-7 bzw. ISBN.: 3-85329-790-0
Jaritz, u.a. (1. Auflage 1988). Welt der Physik, 4. Klasse AHS. Wien: Verlag Hölder – Pichler
– Tempsky.
ISBN.: 3-209-00733-0
Lewisch & Molzer (1989, Nachdruck 1991). Physik 3, 4. Klasse AHS, Physik / Chemie 3, 4.
Klasse HS (Teilband Physik). Wien: Georg Westermann Verlagsges.m.b.H.
Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 10, M. Bernhard
Leybold Versuchsbeschreibung zu den ELM
Beschreibung zu den Schülerversuchen
Folienmappe der E-Werke
26.10.2002 55 / 54

Anhang 1: Versuch: Elektromotor mit Permanentmagnet:
Der einfache Gleichstrommotor