Generator: Aufbau, Induktion und Wechselspannung

Ein Fahrradgenerator, eine Handkurbel oder eine Turbine liefern eine Drehbewegung. Im Generator bewegen sich dadurch Magnet und Spule relativ zueinander.

Der magnetische Fluss beschreibt vereinfacht, wie stark ein Magnetfeld eine bestimmte Fläche durchsetzt. Er kann sich ändern, wenn sich die Feldstärke, die wirksame Fläche oder die Orientierung der Spule zum Magnetfeld ändert.

Die Wirkungskette lautet:

1. Eine äußere Kraft treibt den Generator an.
2. Magnet und Spule bewegen sich relativ zueinander.
3. Der magnetische Fluss durch die Spule ändert sich.
4. An der Spule entsteht eine Induktionsspannung.
5. Ist ein Verbraucher angeschlossen, fließt Strom und elektrische Energie wird abgegeben.

Der Rotor ist der drehende Teil eines Generators. Der Stator bleibt stehen. Sowohl der Magnet als auch die Spule können die Rolle des Rotors übernehmen.

Beim Innenpolgenerator läuft ein Magnet an feststehenden Spulen vorbei. Bei einem Elektromagneten kann Gleichstrom über Schleifkontakte zum Rotor geführt werden. Die erzeugte Spannung lässt sich bequem an den unbeweglichen Spulen abgreifen.

Beim Außenpolgenerator dreht sich die Spule im Magnetfeld des feststehenden Magneten. Die Spannung wird über Schleifringe und Bürsten von der rotierenden Spule abgegriffen.

Während einer vollständigen Umdrehung ändert sich die Orientierung der Spule zum Magnetfeld fortlaufend. Dadurch nimmt der magnetische Fluss zu und ab und wechselt sein Vorzeichen. Seine zeitliche Änderung bestimmt die induzierte Spannung.

Für eine gleichförmig rotierende Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld ergeben sich charakteristische Zeitpunkte:

$T$ bezeichnet die Dauer einer vollständigen Umdrehung. Nach jeder halben Umdrehung kehrt sich die Polarität um. Deshalb entsteht eine Wechselspannung.

Für eine einzelne Leiterschleife mit der Fläche $A$ in einem homogenen Magnetfeld der Flussdichte $B$ gilt bei einem Drehwinkel $\varphi$:

$$\Phi=B\cdot A\cdot\cos(\varphi)$$

Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit $\omega$ ist $\varphi=\omega t$. Damit folgt:

$$\Phi(t)=B\cdot A\cdot\cos(\omega t)$$

Das Induktionsgesetz verknüpft die Spannung mit der zeitlichen Änderung des Flusses:

$$U(t)=-\frac{d\Phi}{dt}$$

Durch Ableiten ergibt sich für die gewählte Orientierung und Polarität:

$$U(t)=B\cdot A\cdot\omega\cdot\sin(\omega t)$$

Die Scheitelspannung, also der größtmögliche Betrag, lautet:

$$U_{\mathrm{max}}=B\cdot A\cdot\omega$$

Damit kann man den Verlauf kurz schreiben als:

$$U(t)=U_{\mathrm{max}}\cdot\sin(\omega t)$$

Dabei steht $U$ für die Spannung in Volt, $B$ für die magnetische Flussdichte in Tesla, $A$ für die Fläche in Quadratmetern und $\omega$ für die Winkelgeschwindigkeit. Das Modell gilt für eine gleichförmig rotierende Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld. Die Wahl des Startzeitpunkts kann den Verlauf zeitlich verschieben; die Wahl der Anschlusspolarität kann sein Vorzeichen umkehren.

Im Leerlauf ist kein Verbraucher angeschlossen. Wird beispielsweise eine Lampe verbunden, fließt ein Laststrom. Dieser erzeugt eine magnetische Wirkung, die der verursachenden Bewegung entgegenwirkt. Dieser Zusammenhang wird durch die Lenz-Regel beschrieben.

Deshalb lässt sich ein Handgenerator mit eingeschalteter Lampe schwerer kurbeln als ohne Last. Die zusätzliche mechanische Arbeit wird nicht vernichtet: Der Generator wandelt sie in elektrische Energie um, die der Verbraucher aufnimmt.

Die rotierende Grundanordnung erzeugt Wechselspannung. Benötigt ein Verbraucher eine gleichbleibende Stromrichtung, muss die Spannung gleichgerichtet werden.

Bei einem mechanischen Gleichstromgenerator übernimmt ein Kommutator diese Aufgabe. Er besteht aus zwei gegeneinander isolierten Halbschalen, die sich mit der Spule drehen. Feststehende Bürsten berühren die Halbschalen. Nach jeder halben Umdrehung wechseln gleichzeitig die Polarität der Spule und der Kontakt zu den Bürsten. Dadurch bleibt die Polarität an den äußeren Anschlüssen gleich.

Das Ergebnis ist zunächst eine pulsierende Gleichspannung: Ihre Polarität bleibt gleich, ihr Betrag schwankt aber.

Eine elektronische Gleichrichtung ist ebenfalls möglich:

• Eine einzelne Diode sperrt eine der beiden Halbwellen.
• Eine Brückenschaltung aus vier Dioden nutzt beide Halbwellen und kehrt eine davon um.
• Ein parallel zum Verbraucher geschalteter Energiespeicher kann Energie an Spannungsspitzen aufnehmen und bei sinkender Spannung wieder abgeben. Dadurch wird der Verlauf geglättet.