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1 Magnetismus und Stromerzeugung Magnete... 2 Allgemeines... 2 Wirkungen von Magneten... 2 Magnetfeld eines Stabmagneten... 3 Permanentmagnete... 3 Das Prinzip der Induktion:... 5 Wechselstrom-Generator... 6 Drehstrom-Generator... 7 Elektromotor... 8 Transformator... 9 Kraftwerkstypen Dampfkraftwerke Alternativkraftwerke Linkliste: Fragenkatalog: Magnetismus Seite 1 von 15

2 Magnete Allgemeines Magnete stellen für viele Leute etwas Mysteriöses dar. Schließlich kann der Mensch Magnetismus weder sehen, hören, riechen, schmecken noch direkt fühlen. Zudem ziehen Magnete ferromagnetische Gegenstände wie von Geisterhand an. Wirkungen von Magneten Hat man zwei Magnete, so ziehen sich Nord- und Südpol an, während sich gleiche Pole abstoßen, ohne dass man hierzu Energie zuführen muss. Auf dieser Basis funktionieren auch Kompassnadeln: Es handelt sich um kleine, leichte Magnete, die sich üblicherweise im Magnetfeld der Erde ausrichten und aufgrund ihrer Ausrichtung eine Information über das umgebende Magnetfeld liefern. Bild 1: Wirkung von Magneten aufeinander Indem man z.b. auf einen mit vielen Kompassnadeln versehenen Karton einen Stabmagneten legt, kann man die Auswirkungen des starken Magnetfelds eines Magneten auf die Umgebung d.h. die schwachen Magnetfelder der Kompassnadeln studieren. Mit einer Reihe von Kompassnadeln kann man also Magnetfelder "sichtbar" machen. Magnetismus Seite 2 von 15

3 Magnetfeld eines Stabmagneten Permanentmagnete Bei bestimmten Materialien (wie z.b. Eisen mit geringen Verunreinigungen) finden sich kleine Bereiche, in denen die Magnetfelder der Atome in die gleiche Richtung orientiert sind. Man nennt sie Weißsche Bezirke oder Elementarmagnete. Magnetismus Seite 3 von 15

4 Legt man ein ausreichend großes magnetisches Feld von außen an, so richten sich einige Elementarmagnete entsprechend aus und verbleiben in dieser Stellung auch dann, wenn das äußere Feld verschwindet. Je stärker das äußere Feld ist, desto mehr Weißsche Bezirke richten sich entsprechend aus, bis bei einer bestimmten Feldstärke alle Elementarmagnete ausgerichtet sind. Damit hat man einen Permanentmagneten hergestellt. Elektromagnete Elektromagnete sind Bauteile, in denen ein starkes Magnetfeld durch einen elektrischen Strom hervorgerufen wird. Elektromagnete bestehen aus einer oder mehreren Spulen. Fließt in der Spule elektrischer Strom, dann entsteht um den Leiter ein Magnetfeld. In einer Spule ist der Leitungsdraht in sehr vielen Windungen übereinander gewickelt. Magnetismus Seite 4 von 15

5 Jede einzelne Wicklungsschleife wirkt wie ein kreisförmiger Leiter. Die Einzelfelder der Wicklungsschleifen überlagern sich zu einem intensiven Gesamtfeld. Häufig befindet sich in der Spule ein Eisenkern, durch den das Magnetfeld zusätzlich verstärkt wird. Auf diese Weise erzeugen Elektromagnete im Regelfall wesentlich größere magnetische Feldstärken als Dauermagnete. Das Prinzip der Induktion: Bewegte magnetische Felder erzeugen in einem Leiter "Elektronenverschiebungen". Dadurch kommt es an den Enden des Leiters zu Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel also Spannung. An den Enden einer Spule entsteht eine Induktionsspannung, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert. Der Induktionsstrom wird umso größer, je schneller sich das Magnetfeld bewegt, je stärker das Magnetfeld ist und je mehr Drahtwindungen die Induktionsspule hat. Magnetismus Seite 5 von 15

6 Wechselstrom-Generator Prinzipieller Aufbau: Diese Abbildung zeigt einen Generator, der aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die wesentlichsten Teile reduziert ist. Anstelle eines Ankers mit vielen Windungen und Eisenkern dreht sich hier nur eine einzige rechtwinklige Leiterschleife, und die Achse wurde weggelassen. Magnetismus Seite 6 von 15

7 Drehstrom-Generator Funktioniert nach demselben Prinzip wie der Wechselstrom- Generator, allerdings ohne permanente Feldmagnete. Ein Rotor (drehbarer Elektromagnet) wird an 3 um 120 versetzten Induktionsspulen (Stator) vorbeibewegt. Magnetismus Seite 7 von 15

8 Elektromotor Wie beim Generator besteht ein Elektromotor in seiner einfachsten Form aus einem Dauermagneten und einem Elektromagneten. Dabei bezeichnet man den feststehenden Dauermagnet auch als Feldmagnet. Fließt Strom durch die Wicklung des Ankers, baut dieser ein Magnetfeld auf, die Magnete ziehen sich an. Ändert man dann die Stromrichtung in der Spule nicht, so würde der Motor stecken bleiben. Um dies zu verhindern, wird in einem sogenannten Kollektor die Stromrichtung (und damit das Magnetfeld) in jeder halben Umdrehung geändert. Dies hat zur Folge, dass sich die Motorwelle bewegt. Magnetismus Seite 8 von 15

9 Transformator Mit einem Transformator werden Wechselspannungen herauf oder herunter transformiert, also erhöht oder reduziert. Allerdings führt diese Änderung der Spannung auch zu einer Änderung des maximal entnehmbaren Stromes, am Ausgang (Sekundärseite) des Transformators. Der Trafo ist im Prinzip aus zwei nebeneinander liegenden Spulen, mit gleicher oder unterschiedlicher Wicklungsanzahl, aufgebaut. Auf der Eingangswicklung wird ein sich änderndes Magnetfeld, durch die anliegende Wechselspannung, erzeugt. Auf der Ausgangswicklung wird eine Induktionsspannung erzeugt. Die Höhe dieser Spannung ist abhängig vom Wicklungsverhältnis der Primär- und Sekundärseite des Transformators. Das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ist umgekehrt proportional zueinander. U E I A ---- = U A I E Magnetismus Seite 9 von 15

10 Kraftwerkstypen Laufwasserkraftwerke finden ihre Anwendung an Flüssen, die ein natürliches oder künstliches Gefälle aufweisen und die Durchflussmengen recht groß sind. Denn je größer das Gefälle und je größer der Durchfluss, desto größer ist die zu erzielende Leistung. Das strömende Wasser, treibt eine Turbine an, welche die Bewegungsenergie aufnimmt und an einen Generator weitergibt. In Laufwasserkraftwerken werden aufgrund des geringen Gefälles meistens Kaplanturbinen eingesetzt. Laufwasserkraftwerke dienen der Deckung eines Teils der Grundlast im Stromnetz, da die Generatoren jederzeit laufen können und die Energie nicht gespeichert werden kann. Vorteile: Nachteile: Magnetismus Seite 10 von 15

11 Speicherkraftwerke nutzen Wasser aus einem hochgelegenen natürlichem See oder einer künstlichen Talsperre (Stausee), welche über einen natürlichen Zufluss verfügen. Über Rohrleitungen wird das Wasser der tief gelegenen Turbine zugeführt, um dort in elektrische Energie umgewandelt zu werden. Meist werden diese Kraftwerke kurzfristig in Betrieb genommen, um auftretende Spitzen im Stromnetz abzudecken. So z.b. in der Mittagszeit. Der Name Speicherkraftwerk kommt von der Funktionsweise, das zufließende Wasser wird gespeichert, bis die Energie wirklich benötigt wird. In Speicherkraftwerken finden je nach Fallhöhe Francisturbinen oder Peltonturbinen ihre Einsatzgebiete Vorteile: Nachteile: Magnetismus Seite 11 von 15

12 Dampfkraftwerke Bei Dampfkraftwerken wird Wasserdampf aus aufbereitetem Wasser durch Verbrennung fossiler Brennstoffe in Hochdruckdampfkesseln erzeugt. Der Dampf treibt mit den Generatoren gekoppelte Dampfturbinen an. Man unterscheidet nach der Art der verbrannten Brennstoffe: in Steinkohlen-KW, Braukohlen-KW, Torf-KW, ölgefeuerte KW und gasgefeuerte KW. Kernkraftwerke sind in ihrer heute üblichen Bauweise auch Dampfkraftwerke, weil auf den Dampfmaschinenprozess noch nicht verzichtet werden kann. Alternativkraftwerke Gezeitenkraftwerke, Sonnenkraftwerke, Windkraftwerke, Erdwärmekraftwerke, Photovoltaik Magnetismus Seite 12 von 15

13 Linkliste: Drehstromgeneratoren Kraftwerkstypen Allgemeines zur Wasserkraft Stromversorgung, Stromverbrauch Wasserkreislauf Magnetismus Seite 13 von 15

14 Fragenkatalog: 1. Ungleichnamige Magnete (NORD-/SÜDPOLE). sich an. (stoßen / anziehen) 2. Was versteht man unter sogenannten Weißschen Bezirken? 3. Erklären Sie die Funktionsweise eines Elektromagneten: 4. Was versteht man unter Induktion? 5. Was unterscheidet einen Wechselstrom- von einem Drehstromgenerator? 6. Was bewirkt ein sogenannter Kollektor beim Elektromotor? 7. Beim Transformator verhält sich die Primärspannung zur Sekundärspannung (direkt/indirekt proportional). 8. Welche Turbinentyp wird bei Laufwasserkraftwerken verwendet? 9. Erklären Sie das Prinzip eines Laufwasserkraftwerkes : Magnetismus Seite 14 von 15

15 10. Welcher Turbinentyp wird bei Speicherkraftwerken verwendet? 11. Erklären Sie das Prinzip eines Speicherkraftwerkes: 12. Wie funktioniert ein Dampfkraftwerk? 13. Nennen Sie 4 alternative Kraftwerkstypen: Magnetismus Seite 15 von 15

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