Referat Elektromotor Elektrogenerator



  • Titel: Referat Elektromotor Elektrogenerator
  • Autor: anonym
  • Beschreibung: Ein umfassendes Referat über den Elektromotor und den Elektrogenerator für das Fach Physik. Enthält Grundlagen über die Ursache Vermittlung Wirkung Regel.
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Elektromotor / Elektrogenerator

Hinweise:
Feldlinien verlaufen vom Nordpol zum Südpol hin. N ===> S
In Zeichnungen bedeutet ein Kreuz dass man dem Strom / der Feldlinie hinterher, ein Punkt dass man dem Strom / der Feldlinie entgegen blickt.

Rechte-Faust-Regel (RFR)
Bilde eine Faust mit deiner rechten Hand, strecke den Daumen aus, "Daumen hoch".
Der Daumen zeigt die technische Stromrichtung an, die gekrümmten Finger umfassen den Leiter und zeigen den Verlauf der Feldlinien an.

Rechte-Hand-Regel (RHR) (auch: UVW-Regel: Ursache Vermittlung Wirkung)
Strecke den Daumen und den Zeigefinger aus, (stellt eine Pistole dar) nun Strecke den Mittelfinger senkrecht zum Daumen und senkrecht zum Zeigefinger aus. Der Daumen zeigt die Richtung der Ursache, der Zeigefinger die der Vermittlung, und der Mittelfinger die der Wirkung an.

Hintergrund der RHR
Die entstehende Bewegung eines stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld. Die Ursache ist der (technisch) fließende Strom. Die Vermittlung ist das Magnetfeld, und die Wirkung ist die Bewegung des Leiters.
Erläuterung: Angenommen am oberen Blattrand ist der Nordpol, am unteren, der Südpol eines Magneten. In der Mitte ist ein Leiterquerschnitt. In diesem Leiter fließt der Strom (technisch) in das Papier hinein. Die Ursache ist der technische Stromfluss in das Papier, dazu senkrecht steht die Vermittlung, das Magnetfeld. Nach der RHR ist die Wirkung, eine Bewegung des Leiters nach links.
D.h.: Auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld, wirkt eine Kraft.
Abb.1

Elektromotor


Der Elektromotor erzeugt mit einem Magnetfeld und elektrischem Strom, eine Bewegung.

Der Rotor (eine Spule mit Eisenkern) befindet sich in einem homogenen Magnetfeld (Magnetfeld mit parallelen Feldlinien). Sofern die Spule stromdurchflossen ist:

• entsteht ein Magnetfeld, (nach RFR) das dem eines Stabmagneten gleicht. Der Eisenkern wird magnetisiert. Gleichnamige Pole des Rotors und Stators stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an >> der Rotor dreht sich. Abb.2
• kann man die RHR anwenden. Beispiel: Wir betrachten eine Windung der Spule, im Querschnitt des Drahtes fließt der Strom in das Papier hinein, oben befindet sich der Nordpol, unten der Südpol eines Stators. Nach der RHR wirkt die Kraft auf den Leiter nach links. An allen Spulenquerschnitten auf der gegenüberliegenden Seite der Spule, fließt der Strom aus dem Papier heraus, dort wirkt die Kraft nach Rechts >> der Rotor dreht sich. Abb.3

Der Rotor dreht sich nur bis:

• ungleichnamige Pole (des Eisenkerns, und des Stators) gegenüber liegen.
• die Kraft auf den Leiter, nach der RHR, nach aussen und nicht in Richtung der Drehung wirkt.

An diesem Punkt wird der Strom in der Spule "umgedreht".

Kommutator / Stromwender


Am Rotor ist ein Ring aus einem leitfähigem Stoff befestigt. Der Ring hat eine Unterteilung, die den Ring in zwei Ringhälften teilt. Die zwei Enden der Spule sind jeweils an den Ringhälften befestigt. Der Stromkreis, Ringhälfte – Spule – Ringhälfte, ist zwischen den zwei Ringhälften unterbrochen.
Zwei feststehende und am Ring schleifende Kontakte sind an eine Stromquelle angeschlossen, und schließen damit den Stromkreis.
Nach einer halben Drehung des Rotors, (mit ihm auch einer halben Drehung des Schleifrings) kontaktieren die Schleifkontakte nun die jeweils andere Ringhälfte. In die Hälfte des Rings, aus der vorher der Strom hinaus floss, fließt nun der Strom hinein, und umgekehrt.
>> Die Stromrichtung in der gesamten Spule wird, nach jeder halben Drehung des Rotors, umgekehrt. Abb.4

Daraus folgt:

• Die Feldlinien um jede Windung der Spule, und somit auch die Feldlinien um die ganze Spule, werden umgekehrt. Der Eisenkern wird "umgepolt", d.h.: sein früherer Nordpol, wird zu seinem neuen Südpol, und umgekehrt. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an, >> der Rotor dreht sich wieder.
• Die erneute Anwendung der RHR ergibt nun eine Kraft die nach rechts wirkt, an den Spulenquerschnitten, auf die vorher eine Kraft nach links wirkte.
Da diese Querschnitte nun gegenüber ihrer vorherigen Position liegen, bewirkt eine Kraft nach rechts, nun die gleiche Drehrichtung, wie die vorherige Kraft nach links.

Hintergrund der RHR
Der entstehende Stromfluss in einem bewegten Leiter in einem Magnetfeld. Die Ursache ist nun die Bewegung eines Leiters, die Vermittlung ist das Magnetfeld, und die Wirkung, ist der (technisch) fließende Strom.
Erläuterung: Angenommen am oberen Blattrand ist der Nordpol, am unteren, der Südpol eines Magneten. In der Mitte ist ein Leiterquerschnitt. Der Leiter wird nach links bewegt (Ursache). Die Feldlinien des Magnetfeldes verlaufen von oben nach unten (Vermittlung). Das Resultat, die Wirkung, ist laut der RHR ein technischer Strom aus dem Papier hinaus.
D.h.: Durch Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld, kann man elektrischen Strom erzeugen!
Abb.5

Elektrogenerator
Der Elektrogenerator erzeugt mit einem Magnetfeld und Bewegung, elektrischen Strom.

Der Elektrogenerator ist die gleiche Konstruktion wie der Elektromotor. Anstatt dass man durch die Spule im Rotor Strom schickt, damit sich der Rotor dreht, treibt man den Rotor (z.B.: mit Muskelkraft) an, damit in der Spule ein elektrischer Strom entsteht.

Dreht man eine Spule in einem Magnetfeld, ist das das Gleiche, als würde man mehrere Leiter in einem Magnetfeld bewegen. Wie elektrischer Strom in den Leitern entsteht wird in dem Abschnitt über diesem erklärt.

Nachtrag:
Man beachte das eine Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld, einen besonders gerichteten Stromfluss verursacht, aber der gleiche Stromfluss eine andere Bewegung des Leiters zur Folge hätte! Zu erklären ist das unter anderem durch die Vertauschung der Ursache und der Wirkung bei der RHR.
Dies war mir beim Schreiben dieses Dokuments erst nicht klar und ich schrieb Fehler auf. Aus diesem Grund überarbeite ich es im Moment.
Der Grund für meinen Denkfehler: Anstatt mir die Rechte-Hand-Regel als UVW- (Ursache Vermittlung Wirkung) Regel zu merken, merkte ich mir stur die Zuordnungen: Daumen = Ursache, Zeigefinger = Vermittlung und Mittelfinger = Wirkung.
An sich, nicht falsch, jedoch wurde mir dies anhand des Beispiels eines Elektromotors erklärt, und ich dachte von dem Augenblick an dass die Ursache – die in dem Beispiel für den technischen Stromfluss in einem Leiter stand – immer für den Stromfluss steht, und dass die Wirkung – die in dem Beispiel für die Bewegung eines Stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld stand – immer für die Bewegung eines Leiters steht.
Mein Fehler viel mir auf, als mir dieselbe Regel anhand eines Elektrogenerators erklärt wurde, ich fragte meinen Physiklehrer, Herrn Andreas Voigtländer, und dieser klärte mein Missverständnis.
Tatsächlich ist bei einem Stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld, der Stromfluss die Ursache und die resultierende Bewegung (vielmehr die Kraft die zu der Bewegung führt) des Leiters die Wirkung. Jedoch bei einem bewegten Leiter in einem Magnetfeld, seine Bewegung (vielmehr die ihn bewegende Kraft) die Ursache, und der induzierte (d.h.: erzeugte, vorher nicht vorhandene) Stromfluss die Ursache.

Es dürfte bekannt sein dass die Regeln an der rechten Hand mit positiven Ladungen, und die Regeln an der linken Hand mit negativen Ladungen arbeiten. (Wobei man positive und negative Ladungen theoretisch vertauschen kann, sofern man auch ihre Bewegungsrichtungen umkehrt)

Was man sich immer vor Augen halten sollte: Die UVW-Regel arbeiten mit verschiedenen „Einheiten“. Ein Finger zeigt in die Richtung einer Kraft, einer in die eines Magnetfeldes, und nur einer, abhängig von der benutzten Hand, in die Flussrichtung der positiven / negativen Ladungsträger. Ich hatte mir eingebildet dass alle Finger Flussrichtungen von Ladungsträgern anzeigen, und war deshalb jedes mal verwirrt wenn einer meiner Finger in Richtung der Bewegung eines Leiters und nicht in die der Ladungsträger zeigte.
Alexander Salzmann, GFS Physik: Elektromotor/Elektrogenerator (korrigiert, überarbeitet und erweitert)

Hiermit erkläre ich dass ich diese GFS selbstständig und nur unter Zuhilfenahme der aufgelisteten Quellen erarbeitet habe.

Verwendete Quellen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromotor
http://de.wikipedia.org/wiki/Generator
http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft
http://de.wikipedia.org/wiki/Kommutator_%28Elektrotechnik%29
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Induktion
http://de.wikipedia.org/wiki/Unipolarinduktion
http://de.wikipedia.org/wiki/Drei-Finger-Regel
http://de.wikipedia.org/wiki/Faradaysches_Paradoxon
http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/index.htm << (es wurden viele untergeordnete Seiten verwendet, daher ist nur die Übersicht angegeben)

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