Motor - Generator (7. Klasse AHS)

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1 PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM WS 2002/03 (7. Klasse AHS) Versuche am: 21. November November 2002 Lindenbauer Edith Ennsdorf am 1. Dezember 2002

2 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1) Wann wird dieses Thema unterrichtet? 3 2) Aufteilung Unter-/Oberstufe 3 3) Benötigtes Vorwissen 4 4) Lernziele 4 5) Lerninhalt 5 6) Versuche 19 a) Versuchsanordnung b) Versuchsdurchführung c) Zeit d) Theoretischer Hintergrund e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung f) Anmerkungen 7) Arbeitsblätter 32 8) Anmerkungen 32 9) Literaturverzeichnis 33

3 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 3 1) Wann wird dieses Thema unterrichtet? Das Thema beschäftigt sich mit folgenden Gebieten: Wechselstromgenerator, Wechselstrommotor, Gleichstromgenerator, Gleichstrommotor, das dynamo-elektrische Prinzip und Drehstrom. Es wird laut Lehrplan in der 4. und 7. Klasse des Realgymnasiums unterrichtet. 2) Aufteilung Unter-/Oberstufe Dieses Protokoll beschäftigt sich mit dem Thema, wie es in der Oberstufe unterrichtet werden kann. Folgende Versuche, die in der Oberstufe durchgeführt werden können, sind in diesem Protokoll enthalten: 1. Selbsterregter Gleichstrom-Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - Hauptschlussgenerator 2. Selbsterregter Gleichstrom-Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - Nebenschlussgenerator 3. Hauptschlussmotor 4. Nebenschlussmotor 5. Modell eines Synchronmotors 6. Drehstromgenerator Der Lerninhalt, der zu diesem Thema in der Oberstufe unterrichtet wird, ist im Kapitel 5 angeführt. Folgende Versuche sind im Unterstufenprotokoll angeführt: Generator mit Permanentmagnet Generator mit Elektromagnet Elektromotor mit Permanentmagnet Ich möchte dazu darauf hinweisen, dass man diese Versuche (nur anders aufbereitet) auch in der Oberstufe durchführen kann. Weiters enthält das Unterstufenprotokoll auch Zusatzinformationen zu folgenden Themen: Stromerzeugung in Kraftwerken Kraftwerksarten Netzaufbau Der Weg des Stromes vom Kraftwerk zum Endverbraucher Stromverbrauch in Österreich Grundlast, Spitzenlast In der Unterstufe wird aus den Themenbereichen Motor und Generator folgendes unterrichtet (dabei habe ich mit an folgendem Schulbuch orientiert: 1 ) 1. Gleichstrommotor (Aufbau und Arbeitsweise) 2. Wechselstrommotor (grundlegende Funktionsweise) 3. Elektromagnetische Induktion 1 Fürnstahl, Wolfbauer, Becker, Obendrauf: Physik heute 4 (für AHS) (3. Auflage (1994)) VERITAS-Verlag, Linz, S

4 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 4 4. Gleichstrom- und Wechselstromgenerator (Aufbau und Arbeitsweise) 5. Drehstrom 3) Benötigtes Vorwissen Physikalisch: Die Schüler haben bereits in der 4. Klasse (Unterstufe) grundlegendes zu den Themen Motor und Generator erfahren (siehe Kapitel 2 (Aufteilung Unter-/Oberstufe), Seite 3). Bevor man jedoch dieses Thema in der 7. Klasse unterrichtet, sollte man die Grundlagen zum Thema Elektrisches Feld sowie folgende Bereiche aus dem Gebiet Magnetisches Feld behandeln: Magnetisches Feld: das Magnetfeld; Ströme im Magnetfeld; Erzeugung magnetischer Felder durch Ströme; die Lorentzkraft; das Induktionsgesetz; die Lenzsche Regel (dazu: Wirbelströme) Mathematisch: Die Schüler sollten folgendes mathematische Wissen besitzen, wenn man dieses Thema behandelt: - Winkelfunktionen - Differentialrechnung: Vor allem zur Einführung des Induktionsgesetzes wäre es sinnvoll, wenn die Schüler die Grundlagen der Differentialrechnung beherrschen würden. Man sollte dieses Thema daher erst unterrichten, wenn die Schüler über dieses mathematische Wissen verfügen. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, sich mit dem Mathematiklehrer der Klasse abzusprechen, damit dieser die Differentialrechnung (kommt ebenfalls im Stoff der 7. Klasse vor) möglichst bald in der Klasse behandelt. (Sollte dies unter Umständen nicht möglich sein, sollte man statt mit infinitesimalen Änderungen (z. B. dt) mit sehr kleinen Änderungen (z. B. t) rechnen.) 4) Lernziele Ich möchte den Schülern anhand der Versuche zum Thema die nachstehend angeführten Wissensbereiche vermitteln bzw. die angeführten Fragen behandeln (dabei habe ich mich an jenen Schulbücher orientiert, die ich auch für die Zusammenstellung des Lerninhalts verwendet habe siehe Kapitel 5: Lerninhalt). Die Schüler sollen diese Themen verstehen und ihr Wissen danach auch selbständig anwenden können. Generatoren Funktionsweise des Wechselstrom- und Gleichstromgenerators Motoren Funktionsweise des Wechselstrom- und Gleichstrommotors Das dynamo-elektrische Prinzip Verstehen des dynamo-elektrischen Prinzips; Funktionsweise von Hauptschluss- und Nebenschlussgenerator; Funktionsweise von Hauptschluss- und Nebenschlussmotor Drehstrom Funktionsweise des Drehstromgenerators; Unterschied zwischen Stern- und Dreieckschaltung; Grundprinzip des Drehstrommotors

5 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 5 5) Lerninhalt Der Lerninhalt ist so dargestellt, dass er (mit zusätzlicher Erklärung durch den Lehrer) für Schüler der 7. Klasse verständlich ist. Weitere Informationen, die nur für den Lehrer gedacht sind (und somit für einen Schüler in diesem Alter nicht verständlich sind), werden besonders gekennzeichnet. (Bei der Zusammenstellung des Lerninhalts habe ich mich an folgenden Schulbüchern orientiert: 2, 3, 4, 5 ) 1. Die Lorentzkraft Auf der Kraftwirkung von Magnetfeldern auf stromdurchflossene Leiter beruht z. B. die Wirkungsweise von Elektromotoren. In einem Magnetfeld B erfährt ein Leiter der Länge s, in dem ein Strom I fließt, die Lorentzkraft F = IsB, wenn I senkrecht zur Feldrichtung fließt (bzw. F = IsB sin, wenn I und B den Winkel einschließen). Auf Ströme parallel zur Feldrichtung wirkt keine Kraft. Nun berechnen wir die Kraft auf einzelne Ladungen. Stellen wir uns einen Leiter (oder einen Elektronenstrahl) mit dem Querschnitt A vor, in dem sich n Ladungsträger pro Volumen, die jeweils die Ladung q tragen, mit der Geschwindigkeit v bewegen. In der Zeit t fließt durch den Querschnitt A jene Ladungsmenge Q, die in dem Volumen A.v.t enthalten ist: Q = q. n. A. v. t, daher ein Strom I = Q / t = q n A v. Auf ein Leiterstück s wirkt im Magnetfeld B die Kraft F = I s B = q n A v s B = q ( n A s ) v B = q N v B Dividieren wir durch die Gesamtzahl N = nas der Ladungen in dem Leiterstück, so erhalten wir den Betrag der Lorentzkraft auf eine einzelne Ladung F = q v B Kraft und Kraftrichtung lassen sich am einfachsten in vektorieller Form ausdrücken: F = qv x B (die kursiv und fett geschriebenen Buchstaben sind Vektoren) 2 Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS (2. Auflage (1992)) Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, S , 72 75, Stütz, Uhlmann: Von der Physik 3, Oberstufe (1998) Verlag E. Dorner GmbH, Wien, S , Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu (1. Auflage (2002)) Verlag öbv & hpt, Wien, S , Schreiner: Physik 3, Oberstufe (1. Auflage (1991)) Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, S , 68-70

6 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 6 Bewegt sich eine Ladung q mit der Geschwindigkeit v senkrecht zum Magnetfeld B, so wirkt auf sie senkrecht zu v und B die Lorentzkraft F = qvb, bzw. F = qv x B, wenn v und B einen beliebigen Winkel einschließen. Da die Lorentzkraft stets senkrecht zur Bewegungsrichtung steht, verändert sie nur die Richtung der Geschwindigkeit, aber nicht deren Betrag. 2. Elektromagnetische Induktion Fahrraddynamos, elektrische Generatoren in Kraftwerken und Transformatoren haben eine gemeinsame physikalische Grundlage, die sogenannte elektromagnetische Induktion. Die elektromagnetische Induktion ermöglicht beispielsweise die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Die elektromagnetische Induktion wurde von Michael Faraday 1831 durch systematische Grundlagenforschung entdeckt. In einer Serie von verschiedenen Versuchen hatte er sich überzeugt, dass entgegen seiner ursprünglichen Vermutung nicht konstante Magnetfelder, sondern nur deren Änderung Ströme hervorrufen. In einem dieser Versuche hatte er über einen Weicheisenring zwei Spulen aus Kupferdraht gewickelt (und damit den ersten Transformator gebaut). Die Sekundärspule schloss er mit einem Draht kurz, den er zum Stromnachweis über eine Magnetnadel führte, die Primärspule schloss er an eine Batterie an. Er beobachtete einen Ausschlag der Magnetnadel, die nach einigen Schwingungen wieder in der Nord-Süd-Richtung zur Ruhe kam; beim Ausschalten schlug die Nadel in die umgekehrte Richtung aus. Offensichtlich war beim Ein- und Ausschalten des Stroms in der Primärspule kurzzeitig in der Sekundärspule Strom geflossen; bei konstantem Strom durch die Primärspule, floss durch die Sekundärspule kein Strom. Worauf könnte der in der Sekundärspule induzierte Strom zurückzuführen sein? Faraday fand heraus: In der Spule wird eine Spannung hervorgerufen (induziert), wenn sich das Magnetfeld im Inneren der Spule nach Größe oder Richtung ändert. Das von Faraday gefundene Induktionsgesetz ist eine der wichtigsten Grundlagen der Elektrotechnik. Man kann es an Hand eines einfachen Spezialfalles quantitativ formulieren. Ruhender Magnet bewegter Leiter Zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten hängt man ein kleines Drahtstück waagrecht auf und verbindet es mit einem Messgerät, das Spannungen von wenigen Millivolt anzeigen kann (siehe nebenstehendes Bild). Lässt man die Schaukel schwingen, so beobachtet man einen Ausschlag des Voltmeters, wobei die Spannung ihr Vorzeichen mit der Schaukelbewegung periodisch umkehrt. Um dieses Ergebnis zu erklären, nähern wird das Feld des Hufeisenmagneten durch ein räumlich begrenztes homogenes Feld (B) an. Bewegt sich die Leiterschaukel

7 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 7 darin mit der Geschwindigkeit v, so wirkt auf jedes Elektron (Abbildung aus: 6 ) (Elementarladung e) im Draht die Lorentzkraft F = evb Sie verschiebt die Elektronen im Draht. Dadurch wird das eine Ende des Drahtes negativ geladen (Elektronenüberschuss, während das andere Ende positiv geladen ist (Elektronenmangel). Diese Ladungsverteilung erzeugt eine elektrische Feldstärke E im Draht, die so lange anwächst, bis Gleichgewicht zwischen Lorentzkraft und elektrischer Kraft besteht: evb = ee Multiplizieren wir die elektrische Feldstärke E mit der Länge s des Drahtes, so erhalten wir die induzierte Spannung U ind = Es = vbs Wir bewegen nun statt des Drahtstücks eine rechteckige Drahtschleife. Liegt die gesamte Schleife im homogenen Magnetfeld, so wird in den beiden zur Bewegungsrichtung senkrechten Leiterstücken dieselbe Spannung induziert und das Voltmeter zeigt keine Spannungsdifferenz an (siehe nebenstehende Abbildung aus: 7 ) Liegt hingegen nur ein Teil der Schleife im Magnetfeld, wird wieder eine induzierte Spannung U ind = vbs angezeigt. (siehe nebenstehende Abbildung aus: 8 ) Wird die Schleife in der Zeit dt um das Stück vdt (= dx) verschoben, ändert sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche A um da = -svdt (Verkleinerung). Daher gilt sv = - da/dt (siehe untenstehende Abbildung aus: 9 ) Die oben verwendete Leiterschaukel entspricht gerade diesem Fall: der bewegte Leiter befindet sich im homogenen Magnetfeld, der Rest der Schleife im feldfreien Raum. 6 Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS, ebda. S Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS, ebda. S Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS, ebda. S Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS, ebda. S. 67

8 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 8 Als magnetischer Fluss durch die Fläche A, deren Normale mit den Feldlinien den Winkel einschließt, wird das Produkt BA cos bezeichnet. (Abbildung aus: 10 ) Verschiebt man die Leiterschleife um dx (= vdt), so ändert sich der magnetische Fluss um d = B da = - Bs dx. Daraus folgt: d = - Bs dx = - Bsv dt = - U ind dt Die Einheit von : [ ] = V.s = Wb (Weber) Damit können wir das Induktionsgesetz formulieren. Es fasst unsere experimentellen Ergebnisse zusammen und beschreibt Phänomene, die nicht durch die Lorentzkraft erklärt werden können. Das Induktionsgesetz Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife, so wird eine Spannung induziert: U ind = - d /dt Führt man weitere Experimente durch findet man, dass auch dann eine induzierte Spannung auftritt, wenn der Leiter ruht und der Magnet bewegt wird. Das Induktionsgesetz besagt nämlich, dass bei jeder Änderung des magnetischen Flusses innerhalb einer Leiterschleife stets eine Spannung induziert wird. Die Induktionsspannung in einer Spule mit N Windungen, die vom gleichen magnetischen Fluss durchsetzt werden beträgt: U ind = -N d /dt. 3. Die Lenzsche Regel Bei der Erklärung der elektromagnetischen Induktion spielt der Energieerhaltungssatz eine wesentliche Rolle. Er führt dazu, dass das Magnetfeld des Induktionsstroms NICHT zu einer Verstärkung des erregenden Feldes führt. Vielmehr schwächt das Magnetfeld des Induktionsstroms das erregende Magnetfeld. Der Energieerhaltungssatz lässt keine unbegrenzte Aufschaukelung des Induktionsstroms durch sein eigenes Magnetfeld zu. Für alle elektromagnetischen Induktionserscheinungen lässt sich sagen: Die Lenzsche Regel 10 Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS, ebda. S. 67

9 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 9 Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass seine Wirkung der Ursache des Induktionsstroms entgegengesetzt ist. 4. Generatoren und Motoren Generatoren dienen zur Erzeugung elektrischer Spannungen und Ströme. Ihre physikalische Grundlage ist das Induktionsgesetz. Die Funktion der Elektromotoren beruht auf der Lorentzkraft Der Wechselstromgenerator Durch Induktion lassen sich relativ leicht Wechselströme erzeugen. Das Grundprinzip eines Wechselstromgenerators besteht darin, dass sich Leiterschleifen so in einem Magnetfeld drehen, dass sich der magnetische Fluss durch die Spulen dauernd ändert. So wird eine Spannung induziert. In der nachfolgenden Abbildung sehen wir einen Wechselstromgenerator. Die in der Leiterschleife induzierte Spannung wird über die Bürsten an den Schleifringen abgenommen. (Abbildung aus: 11 ) Wir betrachten eine einzelne Leiterschleife, die sich im homogenen, zeitlich konstanten Magnetfeld eines Hufeisenmagneten dreht (siehe nachstehende Abbildung). Für den magnetischen Fluss gilt: = B. A. cos û magnetischer Fluss durch die Leiterschleife B û Magnetfeld A û Querschnittsfläche der Schleife û Drehwinkel Wenn die Leiterschleife mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, so gilt für den Drehwinkel im Wesentlichen: 11 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 69

10 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 10 =. t û Drehwinkel û Winkelgeschwindigkeit t û Zeit Entsprechend dem Induktionsgesetz wird in der Schleife eine Spannung U ind induziert: U i n d = - d /dt = - d( BA cos t)/dt = BA s in t = U m sin t Da die Sinusfunktion maximal den Wert 1 annehmen kann, ergibt sich für die Induktionsspannung der Maximalwert BA. Dieser Wert heißt Scheitelspannung U m. Die Spannung nimmt den Maximalwert an, wenn der Fluss durch die Schleife verschwindet, weil die Flussänderung zu diesem Zeitpunkt jeweils ihr Maximum erreicht. Trägt man die vom Generator erzeugte Spannung in einem t-u-diagramm (Zeit-Spannungs- Diagramm) auf, erkennt man, dass sich die Spannung zeitlich nach Betrag und Vorzeichen entsprechend der Sinusfunktion ändert (siehe nachstehende Abbildung). (Abbildung aus: 12 ) Durch Vergrößerung der Anzahl der Schleifen (Windungszahl der Spule) kann man die Spannung, die mit dem Generator erzeugt werden kann, entsprechend vergrößern. Schließt man an die Enden der Spule mit Hilfe von Schleifringen einen Verbraucher an, so kann Strom fließen. Die Stärke des Stroms richtet sich nach der Größe der induzierten Spannung und nach der Größe des Widerstands von Verbraucher und Induktionsspule im Generator. Da sich die Induktionsspule in einem Magnetfeld dreht, wirkt auf die stromdurchflossene Induktionsspule eine bremsende Lorentzkraft ( F = IsB). Zur Aufrechterhaltung der Drehung 12 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 69

11 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 11 der Spule muss entgegen der Lorentzkraft dauernd mechanische Arbeit verrichtet werden. Bei einem idealen Generator geht diese mechanische Arbeit vollständig in elektrische Energie über. Reale Generatoren erreichen Wirkungsgrade von etwa 95 % Der Wechselstrommotor (Synchronmotor) Führen wir den vom Generator erzeugten Strom einer zweiten, gleichartig aufgebauten Maschine zu, so treten dort die gleichen Drehmomente auf wie beim Generator. Die Leiterschleife beginnt sich zu drehen. Wir haben einen elektrischen Motor konstruiert. Die am Generator verrichtete Arbeit kann nunmehr am Motor wieder abgenommen werden. Dieser einfache Sachverhalt begründet die Bedeutung der Elektrizität für das tägliche Leben. Mechanische Energie kann an einem Ort in elektrische Energie umgewandelt und über ein Leitungsnetz an beliebige andere Orte geliefert werden, wo sie nutzbringend verwertet wird. Dabei sichert die (fast) vollständige Umwandelbarkeit von mechanischer in elektrische Energie den hohen Wirkungsgrad dieses Energieverteilungssystems. Hier kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: Modell eines Synchronmotors (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Anhand dieses Versuches kann die grundlegende Funktionsweise eines Synchronmotors erklärt werden. Diese Art von Motoren eignet sich allerdings nur für wenige Anwendungen. Aus dem Stillstand läuft er nicht an, da das vom Wechselstrom hervorgerufenen Drehmoment ständig die Richtung ändert. Die Drahtschleife zittert daher nur um ihre Ruhelage. Erst wenn man den Motor angeworfen und auf die der Frequenz des Wechselstromes entsprechende Umdrehungszahl gebracht hat, hat das Drehmoment eine gleichbleibende Richtung. Der Lauf des Motors erfolgt dann synchron mit dem des Generators. Man spricht deshalb vom Synchronmotor. Der Synchronmotor ist bei allen Anwendungen nützlich, wo es auf eine konstante Drehzahl ankommt, wie beispielsweise bei elektrischen Uhren. Für andere Anwendungen ist er ungeeignet, da er angeworfen werden muss und bei hohen Belastungen außer Takt gerät und stehen bleibt Der Gleichstromgenerator Bei der Drehung der Leiterschleife oder der Spule im Magnetfeld ändert sich die Stromrichtung nach jeder halben Umdrehung (Wechselstrom). Um Gleichstrom mit einem Generator zu erzeugen, muss man die Änderung der Stromrichtung nach jeder halben Umdrehung unterbinden. Dies gelingt mit einem sogenannten Stromwender (Kollektor). (Abbildung aus: 13 ) Gleichstromgenerator Ein wesentlicher Unterschied zwischen Wechselstrom- und Gleichstromgeneratore n besteht in der Art des Spannungsabgriffs. Beim 13 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 70

12 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 12 Gleichstromgenerator wird ein Stromwender (Kommutator, Kollektor) eingesetzt. Der Kollektor besteht im einfachsten Fall aus zwei leitenden Halbzylindern, zwischen denen sich zwei isolierende Spalte befinden. Jeder Halbzylinder ist mit je einem Ende der Spule verbunden. Die isolierenden Spalte laufen gerade in dem Moment an den Bürsten vorbei, wenn es zu einer Umpolung der Stromrichtung in der Leiterschleife kommt. Diese Anordnung bewirkt, dass die eine Bürste zum Pluspol des Generators, die andere Bürste zum Minuspol wird. Mit einem derartigen Gleichstromgenerator kann man einen Strom erzeugen, der zwar seinen Betrag ändert, aber immer in die selbe Richtung fließt. Mit Gleichstromgeneratoren erzeugt man einen sogenannten pulsierenden Gleichstrom. (Abbildung aus: 14 ) Das Pulsieren kann geglättet werden, indem man die eine Spule durch mehrere gegeneinander verdrehte Spulen ersetzt und einen entsprechend geteilten Kollektor verwendet Der Gleichstrommotor Der Gleichstromgenerator kann auch als Motor verwendet werden. Der Kollektor polt den Strom immer im Totpunkt um, so dass ein Drehmoment entsteht, das immer im selben Sinn wirkt. Dieser Motor läuft von selbst an. Wenn der Feldmagnet ein Dauermagnet ist, ändert dieser Motor beim Umpolen der angelegten Spannung seinen Drehsinn, weil die Pole des Rotors vertauscht werden. 5. Das dynamo-elektrische Prinzip 14 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 70

13 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 13 Bisher haben wir Generatoren und Motoren betrachtet, bei denen das notwendige magnetische Feld von einem Permanentmagneten geliefert wird. Weil solche Magnetfelder nicht sehr stark sind, liefern derartige Maschinen nur geringe Leistungen. Erst mit der Erfindung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1867 wurde der Bau großer Generatoren und Motoren möglich. Das Magnetfeld dieser Maschinen wird durch einen Elektromagneten erzeugt. Bemerkenswert ist, dass die elektrische Energie zum Speisen des Elektromagneten vom Generator selbst geliefert werden kann. Dabei reicht beim Starten des Generators der Restmagnetismus im Eisenkern des Elektromagneten aus, um eine geringe Spannung in der Induktionsspule zu erzeugen. Mit dieser Spannung wird der Elektromagnet des Generators gespeist, wodurch sich wiederum die Induktionsspannung erhöht Hauptschlussmaschinen Beim Hauptschlussgenerator sind die Wicklungen der Feldmagnete und die Induktionsspule in Serie geschaltet. (Abbildung aus: 15 ) Prinzipschaltung der Hauptschlussmaschinen Ein Hauptschlussgenerator erregt sich also nur dann, wenn der Verbraucherstromkreis geschlossen ist. Der Wirkungsgrad des Hauptschlussgenerators ist dann hoch, wenn der Widerstand der Feldwicklungen klein im Vergleich zum Widerstand der Verbraucher ist. Hier kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: Selbsterregter Gleichstrom- Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - Hauptschlussgenerator (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Anhand dieses Versuches kann die Funktionsweise eines Hauptschlussgenerators erklärt werden. Ein dem Prinzip nach ähnlich aufgebauter Motor ist der Hauptschlussmotor. Beim Hauptschlussmotor sind die Wicklungen des Elektromagneten (im starren Teil des Motors, Stator) und der drehbaren Spule (Rotor, Anker) in Serie geschaltet. Der Strom durchfließt zunächst die Spule eines Elektromagneten und wird dann über den Kollektor dem Rotor zugeführt. Der Hauptschlussmotor kann mit Gleich- und mit Wechselstrom betrieben werden. Daher nennt man den Hauptschlussmotor auch einen Universalmotor. Bei Betrieb mit Gleichstrom behält das Magnetfeld stets seine Richtung bei, und der Motor arbeitet wie der früher besprochene Gleichstrommotor. Dreht man die Stromrichtung um, so ändert sich die Laufrichtung des Motors nicht, da sich sowohl das Magnetfeld als auch die 15 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 71

14 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 14 Stromrichtung im Rotor umkehrt. Um den Drehsinn des Motors zu ändern, muss man die Anschlüsse am Kollektor vertauschen. Zu diesem Thema kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: Hauptschlussmotor (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Anhand dieses Versuches kann die Funktionsweise eines Hauptschlussmotors erklärt werden. Durch Regelung der Betriebsspannung lässt sich das Drehmoment des Hauptschlussmotors verändern. Beim Einschalten fließt ein starker Strom, weshalb dieser Motor beim Anlaufen ein großes Drehmoment besitzt: solche Motoren werden z. B. als Hubmotoren bei Kränen verwendet Nebenschlussmaschinen Motoren und Generatoren, bei denen die Wicklung der Feldspulen parallel zur Wicklung des Rotors geschaltet ist, heißen Nebenschlussgeräte. (Abbildung aus: 16 ) Prinzipschaltung der Nebenschlussmaschine Der Nebenschlussgenerator erregt sich auch ohne angeschlossenen Verbraucher. Der Wirkungsgrad des Nebenschlussgenerators ist dann hoch, wenn der Widerstand der Feldwicklung hoch und der Widerstand im Anker niedrig im Vergleich zum Widerstand im Verbraucher ist. Hier kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: Selbsterregter Gleichstrom- Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - Nebenschlussgenerator (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Nebenschlussmaschinen haben den Vorteil, dass man durch Regulierung des Stroms durch die Feldwicklung das Drehmoment auf den Rotor verändern kann. Dadurch kann man die Drehzahl des Motors leicht einstellen. Ein weiterer Vorteil des Nebenschlussmotors besteht darin, dass die Drehzahl von der Belastung nahezu unabhängig ist. Zu diesem Thema kann folgender Versuch durchgeführt werden: Nebenschlussmotor (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). 6. Drehstrom (Dreiphasenwechselstrom) In den Generatoren der Kraftwerke werden Wechselströme mit mehreren Tausend Volt Spannung erzeugt. Ein Abgreifen der Spannung mit Hilfe von Schleifringen ist hier nicht mehr technisch durchführbar. Die Schleifringe würden durch die andauernde Funkenbildung 16 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 71

15 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 15 verschmoren. Man hat dieses Problem so gelöst, dass die felderzeugenden Spulen am Rotor des Generators angebracht werden und die Induktionsspulen im Gehäuse fest sitzen (Stator.) Wenn man mehrere Induktionsspulen im Stator anbringt, kann ein Generator gleichzeitig mehrere Leitungen mit Strom versorgen Der Drehstromgenerator Technisch verwirklicht und häufig im Einsatz sind sogenannte Drehstromgeneratoren. Sie enthalten drei verschiedene Induktionsspulen, die zueinander einen Winkel von 120 einnehmen (siehe untenstehende Abbildung aus: 17 ) Da die drei Induktionsspulen zueinander einen Winkel von 120 einnehmen, weisen die induzierten Spannungen U 1, U 2 und U 3 eine Phasenverschiebung von je 120 zueinander aus. Je ein Ende der drei Spulen befindet sich auf gemeinsamem Nullniveau des Potentials (Erdung) Hier kann man folgenden Versuch durchführen: Drehstromgenerator (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Die drei vom Generator wegführenden Leitungen nennt man die drei Außenleiter L 1, L 2, L 3 des Drehstroms. 17 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 88

16 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 16 (Abbildung aus: 18 ) In der obigen Abbildung sieht man den Verlauf der drei induzierten Spannungen und ihre Phasenverschiebung von 120 (entspricht: 2 /3). Man kann diesen Verlauf wiederum durch eine Sinusfunktion darstellen: U 1 = U m. sin ( t) U m û maximale Spannung, die in einer Induktions- U 2 = U m. sin ( t - 2 /3) spule des Generators induziert wird U 3 = U m. sin ( t - 4 /3) û Kreisfrequenz Es lässt sich folgendes zeigen: Summe der drei Spannungen der Außenleiter Die Summe der drei Spannungen der Außenleiter L 1, L 2 und L 3 ist immer null. U 1 + U 2 + U 3 = Sternschaltung Jeder der Außenleiter führt gegenüber dem Neutralleiter beim Verbraucher eine bestimmte Effektivspannung U eff. Verbraucher großer Leistung (z. B. ein Elektroofen) werden aus drei gleichen Teilverbrauchern R 1, R 2, R 3 aufgebaut. Bei der Sternschaltung (siehe nachstehende Abbildung) liegt jeder Teilverbraucher zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter (dem Sternpunkt N). Der Neutralleiter ist die gemeinsame Rückleitung für die drei Ströme i 1, i 2, i 3. Sie haben gleiche Effektivwerte und gegen die zugeordnete Spannung dieselbe Phasenverschiebung (= 120 ). Ihre Summe i 1 + i 2 + i 3 = 0, der Neutralleiter ist stromlos. 18 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 88

17 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 17 (Abbildung aus: 19 ) Die vielen Kleinverbraucher in den Haushalten kann man nicht gut aus drei gleichen Teilen aufbauen, sie brauchen Einphasenwechselstrom. Man schließt sie an einen der Außenleiter und den Neutralleiter an. Werden dadurch die Außenleiter ungleich belastet, so verschwindet die Stromstärke im neutralen Leiter nicht mehr. Man verteilt daher diese Verbraucher möglichst gleichmäßig auf die drei Außenleiter. Die Versorgung der Wohnhäuser erfolgt so, dass zwischen den Außenleitern L 1, L 2, L 3 und dem Neutralleiter eine Spannung von 230 V besteht. Die Verdrahtung einer Siedlung wird so geplant, dass die zu erwartenden Belastungen der einzelnen Außenleiter ungefähr gleich groß sind Dreieckschaltung (Abbildung aus: 20 ) 19 Schreiner: Physik 3, Oberstufe, ebda. S. 68

18 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 18 Es gibt noch eine zweite Möglichkeit, Spannung im Drehstromnetz abzugreifen, nämlich nicht zwischen Außenleiter und Neutralleiter, sondern zwischen zwei Außenleitern. Eine derartige Schaltung nennt man eine Dreiecksschaltung (siehe obige Abbildung). Sie wird besonders beim Betreiben leistungsstarker Geräte eingesetzt, da zwischen zwei Außenleitern eine höhere Spannung liegt, als zwischen Außenleiter und Neutralleiter. Die Spannung zwischen zwei Außenleitern ist mehr als eineinhalb mal so groß wie die Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter. Eine genaue Rechnung zeigt, dass die Spannung U 12 zwischen den Außenleitern L 1 und L 2 das 3 fache der Spannung U 1 bzw. U 2 beträgt. Zusammenfassung: Zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter liegt eine Effektivspannung von 230 V. Zwischen zwei Außenleitern liegt eine Effektivspannung von 400 V Drehstrommotor Der Drehstromgenerator lässt sich durch Anspeisung mit Drehstrom als Synchronmotor verwenden. Von dieser Möglichkeit wird aber praktisch nie Gebrauch gemacht, da sich ein asynchron laufender Drehstrommotor besonders leicht realisieren lässt und gute Betriebseigenschaften aufweist. Einer der Vorteile des asynchronen Drehstrommotors ist, dass er selbstständig anläuft. Der übliche asynchrone Drehstrommotor enthält drei felderzeugende Spulen, die im Stator des Motors angebracht sind (siehe Abbildung). (Abbildung aus: 21 ) Jede Spule wird durch einen Außenleiter mit einer Phase des Drehstroms mit Energie versorgt. Zwischen den Spulen überlagern sich die drei Magnetfelder. Die resultierende Richtung des magnetischen Feldes ändert sich dabei mit der gleichen Periode, die der Wechselstrom aufweist. Bringt man nun einen leitenden Körper in dieses magnetische Drehfeld, so entstehen durch Induktion Wirbelströme in diesem Körpeer. Entsprechend der Lenzschen Regel beginnt der Körper mit dem Feld mitzurotieren. Die Wirbelströme bleiben nur solange aufrecht, wie zwischen Rotor und Drehfeld ein Frequenzunterschied besteht. Drehfeld und Rotor laufen nicht synchron. 20 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S Schreiner: Physik 3, Oberstufe, ebda. S. 69

19 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 19 Bei Belastung des Motors geht die Drehzahl des Ankers zurück. Dadurch bleibt der Anker weiter hinter dem magnetischen Drehfeld zurück, wodurch es zu einer stärkeren Induktionswirkung und damit zu höheren Wirbelströmen kommt. Diese verursachen durch ihre Wechselwirkung mit dem Drehfeld ein höheres Drehmoment auf den Anker, wodurch die Drehzahl wieder steigt. Der Drehstrommotor passt sich also seiner Belastung an. 6) Versuche Zuerst folgen nun einige wichtige Informationen zum Aufbau der Versuche und Hinweise zur Handhabung. (Diese wurden entnommen aus: 22 ) Kurzgefasste Aufbauanleitung: 1. Grundbrett aufstellen und gegebenenfalls befestigen 2. Achse ölen 3. Justierscheibe auf die Achse aufsetzen 4. Magnete bzw. Spulen und Polschuhe mittels Schrauben am Grundbrett befestigen 5. Justierscheibe von der Achse abziehen 6. Rotor auf die Achse aufsetzen 7. Bürstenbrücke aufsetzen, Bürsten einsetzen 8. Bürsten zunächst senkrecht stellen; im Versuch durch geringfügiges Verdrehen günstigste Stellung ermitteln Bei den verwendeten Scheibenmagneten ist der Nordpol durch einen roten Farbring gekennzeichnet. Die bei unseren Versuchen verwendeten Spulen besitzt zwei elektrische Anschlusspunkte: Von der roten Buchse aus betrachtet, ist der Wicklungssinn rechtslaufend, von der weißen Buchse aus dementsprechend linkslaufend, d. h. bei einer Verbindung der weißen Buchse mit dem positiven Pol einer Stromquelle und der roten mit dem negativen Pol besitzt die Spule an der Schlussseite einen magnetischen Nordpol. Die Scheibenmagnete werden zusammen mit den breiten Polschuhen ohne Ansatz am Grundbrett befestigt, so dass die Magnete an den geschliffenen Flächen der Polschuhe anliegen. (Bei dieser Anordnung liegen die Scheibenmagnete am Grundbrett an!). Die breiten Polschuhe mit Ansatz werden in Verbindung mit den Spulen verwendet. Hinweise zur Handhabung: 1. Die Achse des Grundbrettes soll erforderlichenfalls mit einem Lappen von eingedickten Ölrückständen befreit werden. Dann werden 1-2 Tropfen Nähmaschinenöl auf der Achse verteilt. 2. Bei Generatorbetrieb wird das Grundbrett mit Hilfe der Tischklemme auf seiner Unterlage befestigt. Die Riemenscheibe des Rotors und die des Antriebs müssen in einer Ebene liegen und zwar so, dass der Treibriemen parallel zur Montageplatte des Grundbrettes verläuft. 22 Leybold : Versuche mit den Elektro-Lehrmaschinen

20 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite Die Montage der Polschuhe mit den Scheibenmagneten bzw. mit den Spulen darf nur bei aufgesetzter Zentrierscheibe erfolgen. Man schiebt diese mit ihrem zylindrischen Ansatz zur Grundplatte hin auf die Achse auf. Die Polschuhe werden mittels der zugehörigen Schrauben so befestigt, dass ein möglichst großer Teil ihres inneren Randes die Zentrierscheibe so fest umschließt, dass diese nach beendeter Montage der Polschuhe mit spürbarem Widerstand von der Achse gezogen werden kann. Es ist notwendig, dass die Polschuhe verschiedene Polung haben, z. B. der obere einen Nordpol der untere einen Südpol. Der rot gekennzeichnete Nordpol des oberen Scheibenmagneten muss in diesem Fall also gegen den Polschuh, der des unteren gegen die Eisenplatte am Grundbrett gerichtet sein. wird das Statorfeld elektromagnetisch erzeugt, so erreicht man die entsprechende Polung mit einer Schaltung nach nebenstehendem Bild a oder b. (Abbildung aus: 23 ) 4. Die Bürsten müssen besonders sorgfältig behandelt werden. Grundsätzlich sollte man sie von Zeit zu Zeit erneuern (insbesondere bei Verschleiß der Kohlen). Die sorgfältige Behandlung der Kohlen umfasst folgende Handgriffe: - Das Bürstenkabel sollte an eine der nächstliegenden Buchsen des Grundbrettes angeschlossen werden. - Die Bürsten dürfen nicht am Bürstenkabel aus den Bürstenbrücken herausgezogen werden. - Die Bürsten dürfen erst dann in die Halterungen eingesetzt werden, wenn die Bürstenbrücke auf den Rotor aufgesetzt ist. Vor dem Abnehmen der Bürstenbrücke müssen die Kohlen wieder aus ihr herausgenommen werden. - Die Kohlen haben nur dann guten Kontakt mit dem Kollektor des Rotors, wenn ihre Rundung der des Kollektors angepasst ist. Sobald die Kontaktfläche der Kohle nicht mehr einwandfrei ist, schleift man sie mit feinem Schmirgelpapier wieder glatt. 5. Der Kollektor ist von Zeit zu Zeit mit feinem Schmirgelpapier zu säubern; die Nuten zwischen den Kupferlamellen sind mit einem schmalen Hölzchen oder mit einem Kartonstreifen auszukratzen. Die folgenden Versuche sind zur Durchführung für den Lehrer gedacht. Als Lehrer muss man folgende Punkte beachten bevor man die Versuche durchführt: Bevor man diese Versuche durchführt, muss man sich darüber informieren, ob die benötigten Materialien zur Verfügung stehen. Die angeführten Zeitangaben bei den Versuchen beziehen sich darauf, wenn der Lehrer den Versuch durchführt. Die Zeit, die für das Zusammensuchen der Materialien benötigt wird, ist jedoch nicht eingerechnet. 23 Leybold : Versuche mit den Elektro-Lehrmaschinen, S. 16

21 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 21 Wir haben bei den Versuchen anstelle des Kleinspannungsstelltrafo ein Netzgerät verwendet. 1. Versuch: Selbsterregter Gleichstrom-Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - Hauptschlussgenerator (Versuch und Abbildung entnommen aus: 24 ) Es soll ein Gleichstrom-Generator aufgebaut werden, bei dem die Gleichspannungsquelle zur Erregung des Feldes entbehrlich ist, wenn man das Feld mit dem Gleichstrom erregt, den der Generator selbst erzeugt. a) Versuchsanordnung Material: 1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und 2 Schrauben 1 Tischklemme, Glühlampenfassung und Glühlampe 3,5 V 2 Bürsten 2 Spulen mit 250 Windungen 2 breite Polschuhe mit Ansatz 1 Trommelrotor 1 Vorgelege mit Handantrieb 1 Kleinspannungsstelltrafo 1 Messgerät 5 Experimentierkabel Anstelle der 3,5 V-Glühbirne haben wir eine 2,5 V-Glühbirne verwendet. 24 BERNHARD, Martin: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 10 (1. Auflage (1977)) Wien. Versuch 10.3

22 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 22 b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Der Versuch wird gemäß obiger Abbildung aufgebaut. Zunächst wird die Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun werden die Spulen samt den breiten Polschuhen mit Ansatz mit je einer Schraube am Grundbrett so befestigt, dass die Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. Nach der Montage der Polschuhe werden die Spulen kurzzeitig einzeln an eine Gleichspannungsquelle von 2 3 Volt angeschlossen (rechte Buchse mit dem negativen Pol verbinden). Dann besitzen die Polschuhe den für die folgenden Versuche notwendigen Restmagnetismus. Anschließend ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Trommelrotor, befestigt den Keilriemen und zuletzt die Bürstenbrücke. Zum Schluss wird der Aufbau wie in der obigen Abbildung fertig gestellt (Bürsten einsetzen, Kabel einstecken, Voltmeter und Glühbirne anschließen). Wir haben bei diesem Versuch zur Magnetisierung der Spulen, diese an eine Gleichspannungsquelle mit 2 Volt angeschlossen. Versuchsdurchführung und Ergebnisse: Gemäß obiger Abbildung sind beim Hauptschlussgenerator die Feldspulen, der Rotor und der Verbraucher (Glühlämpchen) in Serie geschaltet. Wenn man am Vorgelege kurbelt, fließt der gesamte Rotorstrom durch die Spulen und auch das Glühlämpchen leuchtet. Das Voltmeter zeigte einen Spannungsabfall über dem Glühlämpchen bis zu 1 Volt an. Charakteristisch für diesen Generator ist, dass er sich nur bei geschlossenem äußeren Stromkreis erregen kann (nur, wenn das Glühlämpchen in den Stromkreis geschaltet wird). Die Spannung ist dann von der Belastung abhängig, und zwar ist bei starkem Feld (große Belastung) die Spannung höher als bei schwachem Feld (kleine Belastung). c) Zeit Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 15 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund Werner von Siemens entdeckte das dynamoelektrische Prinzip: Die durch den Restmagnetismus sich ergebende Induktionsspannung am Kollektor wird den Feldspulen wieder zugeführt, was zu einer Verstärkung des Feldes führt. Dies hat wiederum eine erhöhte Induktionsspannung zur Folge, welche abermals das Feld verstärkt usw. Da das Polfeld des Generators mit einem von ihm selbst erzeugten Strom erregt wird, spricht man vom selbsterregten Generator. Siehe auch: Kapitel 5, Punkt 5 (Seite 12 unten): Das dynamoelektrische Prinzip und Kapitel 5, Punkt 5.1 (Seite 13): Hauptschlussmaschinen e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Wenn der Versuch nicht sofort funktioniert, muss man überprüfen, ob die Kabel richtig (laut Abbildung) eingesteckt sind.

23 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 23 Weiters sollte man die Bürsten überprüfen. Sie sollten sich immer der Rundung des Kollektors gut anpassen. Ansonsten muss man die Kohlen mit feinem Schleifpapier abschleifen. Vor allem in den Schulen hat man nicht immer neue Bürsten zur Verfügung. Da alte Kohlen durch häufiges Abschleifen oft dünn geworden sind, fallen diese aus dem Bürstenkopf heraus, wenn dieser senkrecht angebracht wird. Man braucht dann nur den Bürstenkopf waagrecht auf der Achse anbringen. Ein häufiger Fehler ist auch, dass man den Wicklungssinn der Spulen verwechselt und die Buchsen der Spulen falsch miteinander verbindet. f) Anmerkungen Diesen Versuch kann man in der Schule gut durchführen, wenn man das dynamoelektrische Prinzip und die Hauptschlussmaschinen behandelt. 2. Versuch: Selbsterregter Gleichstrom-Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - Nebenschlussgenerator (Versuch und Abbildung entnommen aus: 25 ) a) Versuchsanordnung Material: 1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und 2 Schrauben 1 Tischklemme, Glühlampenfassung und Glühlampe 3,5 V 2 Bürsten 2 Spulen mit 250 Windungen 2 breite Polschuhe mit Ansatz 1 Trommelrotor 1 Vorgelege mit Handantrieb 1 Kleinspannungsstelltrafo 1 Messinstrument 7 Experimentierkabel 25 BERNHARD, Martin: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 10, ebda. Versuch 10.3

24 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 24 Anstelle der 3,5 V-Glühbirne haben wir eine 2,5 V-Glühbirne verwendet. b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Der Versuch wird gemäß obiger Abbildung aufgebaut. Zunächst wird die Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun werden die Spulen samt den breiten Polschuhen mit Ansatz mit je einer Schraube am Grundbrett so befestigt, dass die Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. Nach der Montage der Polschuhe werden die Spulen kurzzeitig einzeln an eine Gleichspannungsquelle von 2 3 Volt angeschlossen (rechte Buchse mit dem negativen Pol verbinden). Dann besitzen die Polschuhe den für die folgenden Versuche notwendigen Restmagnetismus. Anschließend ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Trommelrotor, befestigt den Keilriemen und zuletzt die Bürstenbrücke. Zum Schluss wird der Aufbau wie in der obigen Abbildung fertig gestellt. Wir haben bei diesem Versuch zur Magnetisierung der Spulen, diese an eine Gleichspannungsquelle mit 2 Volt angeschlossen. Versuchsdurchführung und Ergebnisse: Gemäß obiger Abbildung sind beim Nebenschlussgenerator die Feldspulen, der Rotor und der Verbraucher (Glühlämpchen) parallel geschaltet. Wenn man am Vorgelege kurbelt, fließt nur ein Teil des Rotorstromes durch die Feldspulen und ein Teil durch das Glühlämpchen (es leuchtet). Die Erregung des Generators erfolgt auch bei offenem äußeren Stromkreis (wenn das Glühlämpchen herausgedreht wird). Die Spannung ist weitgehend unabhängig von der Belastung. c) Zeit Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 15 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund

25 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 25 Siehe: Versuch 1, Punkt d (Seite 22) Siehe auch: Kapitel 5, Punkt 5 (Seite 12): Das dynamoelektrische Prinzip und Kapitel 5, Punkt 5.2 (Seite 14): Nebenschlussmaschinen e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Hier sind auch jene Punkte zu erwähnen, die bereits beim 1. Versuch (siehe Kapitel 6, S. 22f) angeführt wurden. f) Anmerkungen - 3. Versuch: Hauptschlussmotor (Versuch und Abbildung entnommen aus: 26 ) Man untersucht das Verhalten einer vom Gleichstrom durchflossenen Rotorspule in einem elektromagnetisch erregten Statorfeld, wenn Rotor und Polfeldspulen in Serie geschaltet sind. a) Versuchsanordnung Material: 1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und 2 Schrauben 2 Bürsten 2 Spulen mit 250 Windungen 2 breite Polschuhe mit Ansatz 1 Trommelrotor 1 Kleinspannungsstelltrafo 1 Schiebewiderstand 11 6 Experimentierkabel Angelschnur Wir haben anstelle des Schiebewiderstands mit 11 einen Schiebewiderstand mit 10 verwendet. (Bild 1 gehört zu Versuch 1 und Bild 2 zu Versuch 2) 26 BERNHARD, Martin: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 10, ebda. Versuch 10.5

26 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 26 b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Der Versuch wird gemäß obiger Abbildung aufgebaut. Zunächst wird die Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun werden die Spulen samt den breiten Polschuhen mit Ansatz mit je einer Schraube am Grundbrett so befestigt, dass die Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. Anschließend ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Trommelrotor und befestigt die Bürstenbrücke. Zum Schluss wird der Aufbau wie in der obigen Abbildung fertig gestellt (Bürstenkabel und Experimentierkabel einstecken). Dabei ist darauf zu achten, dass man die Spulen so anschließt, dass die Polschuhe ungleichnamige Pole bilden (weiße Buchsen verbinden). Beachte: Der Trommelrotor wird über den Kollektor mit Strom versorgt. Bürstenstellung wie in der Abbildung.

27 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 27 Versuchsdurchführung: Versuch 1 (siehe Bild 1): Gemäß Bild 1 werden Stator und Rotor so in Serie geschaltet, dass der Rotor zwischen den beiden Statorspulen liegt. Nun wird die Gleichspannung von 0 Volt beginnend bis ca. 15 V gesteigert. Legt man über die Riemenscheibe eine Angelschnur und spannt sie mit der Hand, so wird dadurch der Motor belastet. Man polt die Spannungsquelle um und betrachtet den Rotor. Schließlich werden an den Feldspulen oder am Kollektor die Anschlüsse vertauscht. Versuch 2 (siehe Bild 2): Gemäß Bild 2 werden Stator und Rotor so in Serie geschaltet, dass der Rotor hinter den Feldspulen liegt (Spannung 15 V-). Der Widerstand von 10 Ohm wird regelbar und parallel zu den Feldspulen geschaltet. Dieser sei zunächst voll eingeschaltet. Man beobachtet den Rotor bei Veränderung des Widerstandes. Versuchsergebnisse: Versuch 1: Der gesamte Rotorstrom fließt durch die Feldspulen. Im Feld des so erregten Elektromagneten erfährt der Rotor ein Drehmoment. Die Drehzahl des Rotors hängt stark von der Belastung des Motors ab, da sich mit ihr die Stromstärke und damit das Magnetfeld des Stators ändert. Wenn man die Angelschnur stärker spannt, passt sich der Motor der Belastung an und dreht sich langsamer. Die im Rotor induzierte Gegenspannung wird bei größerer Belastung schon bei geringerer Drehzahl erreicht, sodass sich diese also der Belastung anpasst. Bei Leerlauf besteht die Gefahr des Durchgehens. Wenn man die Spannung am Kollektor erhöht, erhöht sich auch die Drehzahl des Motors (er ist mit der Angelschnur schwerer zu bremsen.) Wenn man die Bürsten oder Anschlüsse an den Feldspulen vertauscht, ändert sich die Drehrichtung. Sie ändert sich nicht, wenn man die Spannungsquelle umpolt, da hier Feld und Rotor gleichzeitig umgepolt werden. Daher läuft dieser Motor auch mit Wechselstrom. Versuch 2: Durch den parallelgeschalteten Widerstand kann das Statorfeld geändert werden, er dient also als Feldregler und verursacht eine Drehzahländerung. Bei Verringerung des Widerstandes steigt die Drehzahl! (Durch die Verringerung des Widerstandes wird das Feld geschwächt und die Drehzahl steigt, da die im Rotor induzierte Gegenspannung sinkt.) c) Zeit Für jeden der beiden Versuche benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 10 bis 15 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund Der theoretische Hintergrund ist unter anderem auf der vorigen Seite bei den Versuchsergebnissen angeführt. Weiters siehe unter: Kapitel 5, Punkt 5 (Seite 12): Das dynamoelektrische Prinzip und Kapitel 5, Punkt 5.1 (Seite 13): Hauptschlussmaschinen

28 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 28 e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Hier sind auch jene Punkte zu erwähnen, die bereits beim 1. Versuch (siehe Kapitel 6, S. 22f) angeführt wurden. Weiters kann ein Nichtfunktionieren des Versuchs auch darauf zurückzuführen sein, dass der Schiebewiderstand nicht funktioniert. f) Anmerkungen Vor allem Versuch 1 ist gut geeignet, um ihn in der Schule durchzuführen. Man kann damit den Schülern klar machen, dass dies ein Motor ist, der auch mit Wechselstrom läuft. Weiters sieht man bei diesem Versuch sehr gut, wie sich der Motor der jeweiligen Belastung anpasst. 4. Versuch: Nebenschlussmotor (Versuch und Abbildung entnommen aus: 27 ) Man untersucht das Verhalten einer von einem Gleichstrom durchflossenen Rotorspule in einem elektromagnetisch erregten Statorfeld, wenn Rotor und Polfeldspulen parallel geschaltet sind. a) Versuchsanordnung Material: 1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und 2 Schrauben 2 Bürsten 2 Spulen mit 250 Windungen 2 breite Polschuhe mit Ansatz 1 Trommelrotor 1 Kleinspannungsstelltrafo 1 Schiebewiderstand 11 6 Experimentierkabel Angelschnur Wir haben anstelle des Schiebewiderstands mit 11 einen Schiebewiderstand mit 10 verwendet. (Bild 1 gehört zu Versuch 1 und Bild 2 zu Versuch 2) 27 BERNHARD, Martin: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 10, ebda. Versuch 10.6

29 Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 29 b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Der Versuch wird gemäß obiger Abbildung aufgebaut. Zunächst wird die Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun werden die Spulen samt den breiten Polschuhen mit Ansatz mit je einer Schraube am Grundbrett so befestigt, dass die Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. Anschließend ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Trommelrotor und befestigt die Bürstenbrücke. Zum Schluss wird der Aufbau wie in der obigen Abbildung fertig gestellt (Bürstenkabel und Experimentierkabel einstecken). Dabei ist darauf zu achten, dass man die Spulen so anschließt, dass die Polschuhe ungleichnamige Pole bilden (weiße Buchsen verbinden). Beachte: Der Trommelrotor wird über den Kollektor mit Strom versorgt. Bürstenstellung wie in der Abbildung. Versuchsdurchführung: Versuch 1 (siehe Bild 1): Gemäß Bild 1 sind die beiden hintereinander geschalteten Feldspulen parallel zum Rotor geschaltet. Nun wird die Gleichspannung von 0 Volt beginnend bis ca. 10 V gesteigert. Der Motor wird belastet, indem man eine über die Riemenscheibe gelegte Angelschnur mit der Hand spannt. Man polt die Spannungsquelle um und betrachtet den Rotor. Schließlich werden an den Feldspulen oder am Kollektor die Anschlüsse vertauscht. Versuch 2 (siehe Bild 2): Gemäß Bild 2 wird der Schiebewiderstand in Serie zu den Feldspulen geschaltet. Der Schiebewiderstand sei zunächst eingeschaltet. Man beobachtet den Rotor bei Veränderung des Widerstandes. Versuchsergebnisse: Versuch 1: Der Rotor und die Feldspulen liegen dauernd an der vollen angelegten Spannung. Im Feld des so erregten Elektromagneten erfährt der Rotor ein Drehmoment. Da die Feldspulen direkt an die Spannung angelegt sind, ändert sich der Strom bei Belastung nicht. Wenn man nun den Motor mit der Angelschnur belastet, ändert sich die Drehzahl nicht. Die Feldstärke bleibt konstant und damit auch die Drehzahl. Letztere ist also von der Belastung unabhängig. Wenn man die Bürsten (oder auch die Anschlüsse an den Feldspulen) vertauscht, ändert sich die Drehrichtung. Sie ändert sich nicht, wenn man die Spannungsquelle umpolt, da hier Feld und Rotor gleichzeitig umgepolt werden. Daher läuft dieser Motor auch mit Wechselstrom. Versuch 2: Durch den in Serie zu den Feldspulen geschalteten Widerstand (10 ) kann das Statorfeld geändert werden, er dient also als Feldregler und verursacht eine Drehzahländerung. Bei Vergrößerung des Widerstandes wird das Feld geschwächt und die Drehzahl steigt (der Motor läuft schneller), da die im Rotor induzierte Gegenspannung sinkt. c) Zeit Für jeden der beiden Versuche benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 10 bis 15 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien).