Transformator und generator sowie bewegte ladungen im magnetfeld und magnetismus
Transformatoren und Generatoren
Das Funktionsprinzip der Transformatoren und Generatoren beruht auf der elektromagnetischen Induktion.
Generatoren erzeugen Strom, Transformatoren wandeln Ströme und Spannungen um.
Ein Generator ist eine Maschine, in der mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Das geschieht durch Drehen einer Spule in einem Magnetfeld (Außenpol-Generator), oder durch Drehung eines (Elektro-) Magneten um eine feststehende Spule (Innenpol-Generator). Primär wird dabei stets eine Wechselspannung erzeugt. Sie kann durch bestimmte Vorrichtungen in Gleichspannung umgewandelt werden.
Da die Wirkungsweise eines Generators im Prinzip die Umkehrung der Wirkungsweise eines Elektromotors darstellt, lässt sich jeder Elektromotor auch als Generator betreiben.
Ein Transformator dient dazu, Spannungen herauf- und herunterzutransformieren. In der Energieerzeugung, beim Transport und in der Fabrik oder im Haushalt müssen also nicht dieselben Spannungen verwendet werden.
Der Transformator besteht aus zwei Spulen (Primär- oder Feld- und Sekundär- oder Induktionsspule) die auf einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind, zwischen denen aber keine (elektrische) Verbindung besteht. Lässt man durch die Primärspule einen Wechselstrom fließen, so entsteht ein Magnetfeld, das sich mit der gleichen Frequenz ändert. Dadurch wird in der Sekundärspule eine Wechselspannung induziert, die bei Schließen des Stromkreises zu einem Wechselstrom führt.
Das Verhältnis der Spannungen bzw. Stromstärken in Primär- und Sekundärspule ist durch die Anzahl der Windungen der Spulen festgelegt. Wenn auf der Sekundärspule mehr Windungen sind als auf der Primärspule, wird die Spannung herauftransformiert, und umgekehrt. Je größer der Unterschied zwischen der Anzahl der Windungen, desto größer ist der Unterschied zwischen den Spannungen.
Die Leistung des elektrischen Stroms kann durch einen Transformator nicht verändert werden. Wird daher die Spannung erhöht, muss die Stromstärke abnehmen, weil das Produkt aus beiden Größen gleich bleibt.
Diesen Effekt macht man sich beim Transport von Strom zunutze. In Überlandleitungen fließt Strom bei sehr hoher Spannung mit geringer Stromstärke. Dadurch ist der Reibungsverlust gering.
Bewegte Ladung im Magnetfeld
Magnetfelder existieren in der Umgebung von Magneten und elektrischen Leitungen, überall dort, wo magnetische Kräftewirkungen beobachtbar sind. Die Richtungen und Größen der Felder kann man durch Kräftelinien (Feldlinien) anschaulich machen. Das Feldliniensystem kann durch Eisenspäne sichtbar gemacht werden.
Auf bewegte Ladungen in einem Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft.
Das ist die Kraft (F), die auf eine Ladung (Q) wirkt, wenn diese sich mit der Geschwindigkeit (v) in einem Magnetfeld (magnetische Feldstärke - B) bewegt: F = Q (v ·B).
Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung und zur Richtung der B-Feldlinien und bewirkt die magnetische Ablenkung der Ladung.
Der meistgenutzte Effekt in der Wirkung von Magnetfeldern auf elektrische Ladungen ist die elektromagnetische Induktion. Wird ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt oder verändert sich das Magnetfeld (genauer: die magnetische Feldstärke), lässt sich an den Enden des Leiters eine elektrische Spannung abgreifen, man spricht von der Induktionsspannung.
Technisch macht man sich die Induktion beim Transformator und beim Generator zunutze.
Weil ein Leiter sich auch immer im eigenen Magnetfeld befindet, kann ein Leiter auch eine Spannung in sich selbst induzieren, man spricht von Selbstinduktion. Da ein Leiter sich nicht relativ zu sich selbst bewegen kann, liegt die Ursache immer in einer Veränderung der Stromstärke in dem Leiter. Die induzierte Spannung wirkt dabei immer der anliegenden Spannung entgegen (Lenzsche Regel) und kann bedeutend größer als diese werden.
Lässt man den Stromfluss z.B. durch einen Schalter sehr schnell zusammenbrechen, können sehr hohe Induktionsspannungen entstehen.
Sie können zu kleinen Funken am Schalter führen und werden technisch z.B. beim Zünden einer Neonröhre benutzt.
Magnetismus
Schon früh in der Geschichte haben die Menschen Magnete gekannt. Man wusste, dass Magnete sich je nach Ausrichtung anziehen oder gegenseitig abstoßen und dass sie Gegenstände aus Eisen anziehen. Aber weder konnte man sich diese Erscheinung erklären, noch wusste man, wozu man Magnete benutzen kann.
Heute wissen wir, dass es in vielen Materialien mikroskopisch kleine magnetische Bezirke gibt. Wenn sie gemeinsam ausgerichtet werden, wird der ganze Gegenstand magnetisch. Er erzeugt dann um sich herum ein Magnetfeld. Bringt man ihn in die Nähe eines anderen magnetischen Gegenstandes, ziehen beide sich an oder stoßen sich ab, abhängig davon, ob die Magnetfelder gleich oder entgegengesetzt orientiert sind.
Magnetfelder sind nicht an ein Umfeld gebunden, sie existieren anders als der Schall auch im Vakuum und können durch nichtmagnetische Materialien weder abgeschirmt noch verändert werden.
Der Magnetkompass war die erste und lange Zeit einzige Anwendung von Magneten.
Die Chinesen sollen ihn schon vor einigen tausend Jahren erfunden haben. Aber in Europa kennt man ihn erst seit einigen Jahrhunderten. Die Kompassnadel ist ein kleiner Magnet, der sehr leicht drehbar gelagert ist und sich im Magnetfeld der Erde in Nord-Süd-Richtung ausrichtet. Lange Zeit war der Kompass neben den Sternen die einzige Navigationshilfe der Seeleute.
Das Magnetfeld der Erde entsteht durch Ströme flüssigen Eisens im Erdkern. Geografische und magnetische Pole stimmen nicht exakt miteinander überein, außerdem liegt der magnetische Nordpol in der Nähe des geografischen Südpols.
Das Magnetfeld der Erde polt sich jeweils im Laufe einiger tausend Jahre um.
Durch die Entwicklung der Technik werden heutzutage fast ausschließlich Elektromagnete benutzt, weil sie leistungsfähiger sind und in ihrer Stärke und Ausrichtung leicht verändert werden können.
Ein Elektromagnet besteht aus einem elektrisch leitenden Draht, der um einen Kern, meist Eisen, gewickelt ist. Wenn durch die Drahtwicklung (Spule) Strom fließt, entsteht ein Magnetfeld, das der Eisenkern bündelt. An seinen Enden befinden sich die Pole des Elektromagneten. Verändert man die Stromstärke oder die Stromrichtung, ändert sich die Stärke des Magnetfeldes bzw.
wird der Magnet umgepolt. Wenn kein Strom durch die Leitung fließt, wird die magnetische Wirkung des Elektromagneten aufgehoben.
Elektromotoren, Relais (elektrische Schalter), und Lautsprecher funktionieren nach diesem Prinzip.
Die künstliche Magnetisierung verwendet man auch für die Speicherung von Daten. Kassetten, Disketten und Festplatten speichern Daten magnetisch. Hier ist es aber wichtig, dass die Magnetisierung auch nach Abschalten des Stroms erhalten bleibt, weil sonst die Daten gelöscht sind.
Deshalb werden Beschichtungen mit speziell entwickelten Materialien benutzt.
| Anmerkungen: |
| impressum | datenschutz
© Copyright Artikelpedia.com
