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Sobald ein Magnet in einer Kupferdraht-Spule bewegt wird, schlägt der Zeiger des angeschlossenen Meßgeräts aus - elektrische Spannung entsteht. |
Strom kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Zum Beispiel durch chemische Vorgänge in einer Batterie: Zwischen dem Plus- und Minuspol der Batterie besteht dann ein Spannungsgefälle. Werden die beiden Pole über Drähte mit einem Lämpchen verbunden, fließt ein Strom durch den Glühdraht des Lämpchens, der sich dadurch erhitzt und leuchtet. Bringt man außerdem eine Vorrichtung an, mit der sich der Stromfluß ein- und ausschalten läßt, hat man im Prinzip eine Taschenlampe.
Die Batterie wurde um das Jahr 1800 erfunden. Bis dahin konnte man Elektrizität nur mittels sogenannter Influenzmaschinen erzeugen, die durch Reibung zwischen bestimmten Materialien die Trennung elektrischer Ladungen besorgten. Sie lieferten zwar hohe Spannungen, mit denen sich Funken erzeugen und harmlose "Schläge" austeilen ließen, aber keine praktisch nutzbaren Ströme.
Mit der Batterie stand den Forschern erstmals eine Stromquelle zur Verfügung, die ein genaueres Studium der Elektrizität ermöglichte: Etwa den Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand, wie ihn das Ohmsche Gesetz formuliert. Oder die Entdeckung des magnetischen Feldes, das jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt. Darüber hinaus ermöglichten Batterien die ersten praktischen Anwendungen des Stroms, etwa zum Betrieb von Telegrafen, Telefonen, Klingeln oder Glühlampen.
Die heutige Stromversorgung wäre jedoch mit Batterien keinesfalls möglich. Sie gründet sich vielmehr auf das Prinzip der "Induktion", das in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt und in der zweiten Hälfte zur bislang ergiebigsten und gebräuchlichsten Form der Stromerzeugung entwickelt wurde. Sie beruht auf der Umwandlung mechanischer in elektrischer Energie, indem ein Magnet innerhalb einer Kupferdraht-Spule bewegt wird. Die Bewegung des Magneten "induziert" dann in der Spule eine Spannung, die sich an deren Enden abgreifen läßt.
Würde man z.B. durch eine Spule aus Kupferdraht, deren Enden mit einem Voltmeter verbunden sind, schnell nacheinander hundert Magneten schieben, bekäme man an dem Meßinstrument zwischen Plus- und Minuspol der Spule hundertmal einen Zeigerausschlag - der Beweis, das in der Spule eine Spannung erzeugt wird.
Wir haben dabei stillschweigend vorausgesetzt, daß die Magneten bei ihrer Bewegung durch die Spule immer gleich gepolt sind, also z.B. immer mit dem Nordpol in die Spule eintauchen. Unter dieser Bedingung entsteht in der Spule ein Gleichstrom, bei dem sich Plus- und Minuspol der Stromquelle nicht verändern. Dieser Strom hat allerdings keine gleichbleibende Spannung, wie der einer Batterie, sondern seine Spannung folgt genau der Bewegung des Magneten durch die Spule, indem sie von null auf einen Höchstwert ansteigt, um dann wieder auf null abzusinken.
Würde man die Magnete mit umgekehrter Polrichtung durch die Spule führen, käme ebenfalls ein pulsierender Gleichstrom zustande - doch mit dem Unterschied, daß dabei der Plus- und der Minuspol vertauscht sind.
Würde man nun die Magneten abwechselnd mit unterschiedlicher Polung
durch die Spule bewegen, bekäme man zwei pulsierende Gleichströme,
die mit jeweils vertauschter Polarität einander ablösen - einen
sogenannten Wechselstrom.
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Nun wäre es äußerst mühselig und aufwendig, Hunderte, Tausende und Millionen von Magneten in schneller Folge durch eine solche Spule zu schieben, um damit Strom zu erzeugen. In der Praxis läßt man einfach einen Magneten innerhalb der Spule rotieren: Jede Drehung des Magneten um 180 Grad hat dann denselben Effekt, als würde ein neuer Magnet durch die Spule geschoben. Allerdings ändert sich jedesmal die Polarität des Magneten, da sich ja abwechselnd der Nord- und der Südpol an der Spule vorbeibewegen. Es entsteht also ein Wechselstrom. Das Auf und Ab dieses Stroms von Plus zu Minus und wieder zu Plus während einer vollen Umdrehung des Elektromagneten wird als "Phase" bezeichnet.
Ein solche Maschine zur Stromerzeugung findet man an jedem Fahrrad: Der "Dynamo" enthält in seinem Inneren einen Dauermagneten, der drehbar in einer Spule gelagert ist. Auf der verlängerten Achse des Magneten sitzt ein Reibrad, das aus dem Gehäuse herausragt. Sobald das Reibrad gegen den Reifen gepreßt und dadurch angetrieben wird, rotiert der Magnet innerhalb der Spule und erzeugt einen "einphasigen" Wechselstrom für die Versorgung von Scheinwerfer und Rücklicht.
Ähnlich wie ein Fahrrad-Dynamo sind auch die großen Generatoren in den Kraftwerken aufgebaut. Bei ihnen besteht der drehbare Magnet allerdings nicht aus einem eisernen Dauermagneten, sondern aus einem Elektromagneten. Wird der Elektromagnet mit Gleichstrom versorgt, entsteht ein "Synchron-Generator", bei dem der erzeugte Wechselstrom genau der Drehbewegung des Rotors folgt. Schickt man dagegen Wechselstrom durch den Elektromagneten, so hat man einen "Asynchron-Generator", bei dem der erzeugte Wechselstrom der Drehbewegung des Rotors mit mehr oder minder großer Verzögerung folgt.
Die Generatoren in den Kraftwerken der öffentlichen Stromversorgung sind durchweg als Synchron-Generatoren ausgeführt. Der rotierende Elektromagnet empfängt dabei den Gleichstrom für den Aufbau des Magnetfelds aus einem zusätzlichen Gleichstrom-Generator, der auf derselben Achse sitzt und als "Erregermaschine" bezeichnet wird. Auf unserer Abbildung erfolgt die Stromzufuhr von der Erregermaschine zum rotierenden Elektromagneten über Schleifringe an der Achse. Es gibt auch eine andere Lösung, die sich am Asynchron-Generator orientiert und eine Wechselstrom-Erregermaschine mit anschließender Gleichrichtung des Stroms verwendet. Dies bietet konstruktive Vorteile, weil bei einer Wechselstrom-Erregermaschine der Strom direkt dem Rotor entnommen werden kann, der auf derselben Achse sitzt wie der damit zu versorgende Elektromagnet. Dadurch entfallen die Schleifkontakte. Die notwendige Umwandlung des Wechselstroms in Gleichstrom besorgen Dioden, die auf der Achse mitrotieren.
Die Kraftwerks-Generatoren der öffentlichen Stromversorgung sind so gebaut, daß sie nicht nur einen einzigen Wechselstrom erzeugen - wie der Fahrrad-Dynamo -, sondern drei Wechselströme zugleich: Ihr Elektromagnet bewegt sich bei jeder vollen Drehung (360 Winkelgrade) an drei Spulen vorbei, die jeweils um 120 Winkelgrade versetzt angebracht sind. Dadurch sind auch die "Phasen" der drei Wechselströme, die jede Drehung des Elektromagneten in den Spulen erzeugt, um jeweils 120 Grad gegeneinander versetzt. Dieser "dreiphasige" Wechselstrom wird auch als Drehstrom bezeichnet.
Um mit Generatoren Gleichstrom zu erzeugen, bedarf es zusätzlichen Aufwandes: Etwa eines mechanischen Stromwenders ("Kommutators"), der über radial verlaufende Schleifkontakte an der Achse des Rotors den Wechsel des Stroms von Plus und Minus rückgängig macht, indem er zur Halbzeit jeder Phase seinerseits Plus und Minus vertauscht und so den Wechselstrom in einen pulsierenden Gleichstrom verwandelt.