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Spannungserzeugung


Spannungen kann man auf sechs verschiedene Arte erzeugen. Die wichtigste Spannungserzeugung ist die durch Induktion. Sie sei hier daher etwas näher beschrieben.



Arten der Spannungserzeugung

Es gibt insgesamt 6 Arten der Spannungserzeugung:

  • Spannung durch Induktion (Generator, Dynamo)
  • Spannung durch Licht (Solarzellen)
  • Spannung durch Elektrochemie (Batterie, Akku)
  • Spannung durch Druck oder Zug (Piezoelemente)
  • Spannung durch Wärme (Thermoelemente)
  • Spannung durch Reibung (Bandgenerator)

In Klammern sind jeweils ein oder mehrere Beispiele genannt.



Spannungserzeugung durch Induktion

Spannungen werden erzeugt, in dem eine Leiterschleife von einem Magnetfeld durchsetzt wird und sich diese Durchsetzung, d. h. der magnetische Fluß durch die Leiterschleife fortlaufend verändert. Das ist der Fall, wenn sich die Leiterschleife nicht parallel zu den magnetischen Feldlinien bewegt, sondern in einem Winkel dazu. Bewegt man z. B. eine Leiterschleife durch das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten, dann entsteht zwischen beiden Enden der Leiterschleife für die Dauer der Bewegung eine elektrische Spannung. Das gleiche passiert, wenn man die Leiterschleife in einem Magnetfeld dreht. Weiterhin ist es gleichgültig, ob sich die Leiterschleife in dem Magnetfeld bewegt oder die Leiterschleife stillsteht und sich das Magnetfeld im Verhältnis zum Leiter bewegt.


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Spannungserzeugung durch Induktion


In der Abbildung oben wird die Leiterschleife im Magnetfeld des Hufeisenmagneten vor und zurück bewegt. Da diese Bewegung nicht parallel zu den magnetischen Feldlinien erfolgt, verändert sich der magnetische Fluß in der Leiterschleife und es wird in ihr für die Dauer der Bewegung eine Spannung induziert. Kehrt sich die Bewegungsrichtung der Leiterschleife um (z. B. von vor nach zurück), dann polt sich auch die Richtung der erzeugten Spannung um. Bewegt man die Leiterschleife ständig vor und zurück, so wird in ihr ständig eine Wechselspannung erzeugt.

Es kommt sogar zur Induktion, wenn Leiterschleife und Magnetfeld stillstehen, sich aber die Intensität des Magnetfeldes ändert.

Wird eine Leiterschleife in einem Magnetfeld so bewegt, das sich der magnetische Fluß in der Leiterschleife ändert, so wird in ihr während der Bewegungsdauer eine Spannung erzeugt. Dies nennt man Induktion.

Die Richtung, also die Polung der erzeugten Spannung hängt von der Bewegungsrichtung des Leiters als auch von der Richtung des Magnetfeldes ab.

Die Höhe der erzeugten Spannung wird umso größer, je schneller sich die Leiterschleife bewegt oder sich der magnetische Fluß ändert.

In der Praxis benutzt man zur Spannungserzeugung allerdings keine einzelnen Leiterschleifen, sondern viele Leiterschleifen, die zusammen eine Spule ergeben. Wenn sich eine Spule in einem Magnetfeld dreht, dann wird in ihr ebenfalls fortlaufend eine Spannung erzeugt. Auch hier ist die erzeugte Spannung eine Wechselspannung, genauer gesagt eine sinusförmige Wechselspannung. Jeder Dynamo funktioniert nach diesem Prinzip. Dynamos in sehr großem Umfang nennt man Generatoren. Letzere befinden sich z. B. in den Kraftwerken und werden durch Turbinen angetrieben.

Dreht sich eine Spule in einem Magnetfeld, so wird in ihr ebenfalls eine Spannung erzeugt. Die erzeugte Spannung nimmt mit steigender Windungszahl der Spule sowie mit steigender Drehgeschwindigkeit der Spule zu.


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Den Fahrraddynamo kennt jeder!
Er ist ein Generator in ganz kleiner Bauform



Die Lenzsche Regel

Wird an einem Dynamo oder Generator ein Verbraucher angeschlossen, so fließt durch ihm ein elektrischer Strom. Der Strom erzeugt ebenfalls ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld überlagert sich mit dem Magnetfeld des Generators und ist immer so gerichtet, das es die Bewegung des Generators hemmt. Je höher der fließende Strom ist, desto stärker ist auch dessen Magnetfeld! Durch einen hohen Strom wird also die Bewegung des Generators abgebremst - man benötigt eine größere Kraft, um ihn zu drehen.

Der durch die Induktionsspannung hervorgerufene Strom erzeugt ein Magnetfeld, welches der Ursache der Induktion stets entgegenwirkt. Dieses Gesetz bezeichnet man als Lenzsche Regel.

Somit ist die Anzahl der Verbraucher, die man an einem Dynamo oder Generator anschließen kann, durch die Lenzsche Regel immer begrenzt. Auch die Spulen vertragen nur einen bestimmten Strom, da ansonsten die Isolierung der Kupferlackdrähte in den Spulen zerstört wird was zu einem Windungsschluß führt.


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