PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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1 WS 02 / 03 PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I Motor - Generator (Unterstufe) 1. Versuch: Versuch: Protokoll: Korrektur: Adelheid Denk / 406

2 Inhaltsverzeichnis:..Seite 2 1.Aufgabenstellung..Seite 3 Was will ich erreichen? 2.Theoretische Grundlagen für den Lehrer..Seite 5 3.Arbeiten mit dem Motor...Seite 32 4.Wie erkläre ich den Stoff?..Seite 43 5.Tafelbild..Seite 43 6.Folien..Seite 43 7.Versuche..Seite 43 7.a..Zeit 7.b..Versuchsanordnungen 7.c..Versuchsdurchführung 7.d..Theoretischer Hintergrund 8..Experimentelle Schwierigkeiten..Seite Medien..Seite Was diktiere ich ins Heft?..Seite Anmerkungen:..Seite 54 Kritiken und Verbesserungsvorschläge 12...Anhang:..Seite54 Literaturverzeichnis..Seite / 54

3 1. Aufgabenstellung Die Aufgabenstellung bestand darin, einen Motor bzw. Generator mit Hilfe der Elektrolehrmaschinen selbst herzustellen. Von den empfohlenen Experimenten wurden folgende Versuche von uns ausgewählt, durchgeführt und ausgewertet: Generator mit Permanentmagnet: o Wechselstromerzeugung (*) o Gleichstromerzeugung (*) Generator mit Elektromagnet: o Außenpolgenerator (*) o Innenpolgenerator (*) Selbsterregter Gleichstrom Generator, Dynamoelektrisches Prinzip: o Hauptschlussgenerator o Nebenschlussgenerator Elektromotor mit Permanentmagnet: o Der einfache Gleichstrommotor (*) o Der selbst anlaufende Gleichstrommotor (*) Hauptschlussmotor: o Versuch 1 o Versuch 2 Nebenschlussmotor: o Versuch 1 o Versuch 2 Modell eines Synchronmotors: o Versuch 1 o Versuch 2 Drehstromgenerator: o Versuch / 54

4 Bemerkung: Bei diesem Themengebiet ist es sehr schwierig, die Versuche in Unterund Oberstufe zu unterteilen. Laut Lehrplan (Realgymnasium) wäre dieses Thema für die 4. bzw. 6. Klasse vorgesehen. In der Unterstufe liegt jedoch der Schwerpunkt auf dem Gebiet Magnetismus. Dazu kann man sehr viele, kleinere Handversuche durchführen (die aber nicht zu unserem Aufgabengebiet gehörten!), Motoren und Generatoren werden jedoch nur als Anwendungsgebiete erwähnt. Es gibt in der Unterstufe nur sehr wenige, durchführbare Versuche mit den Versuchsmotoren. Wir haben uns deshalb darauf geeinigt, dass ich in diesem Protokoll nur die mit (*) gekennzeichneten Versuche abhandeln werde. (Bei ihnen ist an ein Durchführen in der Unterstufe denkbar.) Zum Ausgleich findet man in diesem Protokoll dafür mehr Theorie und vor allem die notwendigen Hintergrund- und Zusatzinformationen. (Stromerzeugung und Versorgung, etc.) Die restlichen Versuche finden sich im Protokoll der Oberstufe. (vgl. Protokoll: Motor & Generator (Oberstufe): Lindenbauer Edith) Was will ich erreichen? (Was sollen die Schüler lernen) Auszug aus dem Lehrplan für die 4. Klasse (AHS Unterstufe): Elektrizität bestimmt unser Leben: Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer tiefer gehendes Verständnis von technischer Erzeugung und Konsum von Elektroenergie gewinnen. - Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer Energie gewinnen; Permanentmagnet und Elektromagnet; elektromagnetische Induktion; - grundlegendes Wissen über Herstellung, Transport und Verbrauchû elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator); - Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und Sicherheitsbewusstes Handeln erreichen; / 54

5 - Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geräte aus dem Interessensbereich der Schülerinnen und Schüler gewinnen (Elektromotor). Folgerung: Lernziele: o Magnete o Magnetfelder o Stromfluss bewirkt ein Magnetfeld o Die Bewegung eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld o Änderung des Magnetfeldes bewirkt Spannung (Induktion) o Drehstrom o praktische Anwendungen: o Motor o Generator o Elektrizitätsversorgung Österreichs + Zusatzinformationen 2. Theoretische Grundlagen für den Lehrer Grundlagen: Magneten werden vielfältig verwendet, z.b. als Kompass mit Magnetnadel, oder als magnetische Pinwand. Da Magneteisenstein in der Natur vorkommt, spricht man von einem natürlichen Magneten. Man kann einen Magneten aber auch künstlich herstellen. Magnete ziehen Gegenstände aus Eisen, Nickel oder Kobalt an und halten sie fest, man nennt diese Stoffe ferromagnetische Stoffe. (lat. ferrum = Eisen, ferromagnetisch = ähnliche magnetische Eigenschaften wie Eisen) Ungleichnamige Pole ziehen einander an, gleichnamige stoßen einander ab / 54

6 Stoffe, die wie Stahl dauernd (über längere Zeit) magnetisch bleiben, werden als hartmagnetisch bezeichnet. Stoffe, die wie Weicheisen vorübergehend magnetisch sind, werden als weichmagnetisch bezeichnet. Aus hartmagnetischen Werkstoffen werden Dauer- oder Permanentmagneten hergestellt. (lat. permanere = andauern) Jedes Teilstück eines Magneten ist ein Magnet. Man denkt sich ferromagnetische Stoffe aus Elementarmagneten bestehend. Magnetisieren bedeutet ein Ausrichten der Elementarmagneten / 54

7 Beim Glühen verliert ein Magnet seinen Magnetismus, er wird entmagnetisiert. Auch durch Erschütterungen kann ein Magnet entmagnetisiert werden. Weicheisen ist magnetisch, solange sich ein Magnet in der Nähe befindet. Man spricht von magnetischer Influenz. Ein Magnet besitzt in seiner Umgebung ein magnetisches Feld. Dieses kann durch magnetische Feld- oder Kraftlinien anschaulich gemacht werden. Magnetische Feldlinien sind geschlossene Linien. Sie verlaufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol, innerhalb des Magneten vom Süd- zum Nordpol. Je dichter die magnetischen Feldlinien beisammen liegen, desto stärker ist das magnetische Feld. Das magnetische Feld wird mit zunehmender Entfernung vom Magneten schwächer. Eisen verdichtet die magnetischen Feldlinien. Das magnetische Feld wird in Eisen verstärkt und in Luft geschwächt. Luft, Papier, Holz, Kupfer, Messing, Glas u.a. lassen die magnetischen Feldlinien durch. Mit Eisen kann man magnetische Feldlinien abschirmen. Versuch von Christian Oersted 1820: / 54

8 Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. Dieses ist umso stärker, je größer die Stromstärke ist. Die magnetischen Feldlinien sind bei einem geraden Leiter konzentrische Kreise. Sie liegen in Ebenen senkrecht zum Leiter. Mit zunehmender Entfernung vom Leiter nimmt die Stärke des magnetischen Feldes ab. Korkenzieherregel: / 54

9 Ein Gesetz, das den Zusammenhang zwischen der Stromrichtung und der Feldlinienrichtung eines stromführenden Leiters ausdrückt. Die Richtung der Feldlinien wird durch den Drehsinn eines Korkenziehers angegeben, den man sich in der Stromrichtung in den Leiter gebohrt denkt. Rechte Hand Regel: Die Rechte-Hand-Regel dient zur Klärung des Zusammenhanges zwischen Strom- und Feldrichtung bei einem elektrischen Leiter bzw. einer stromdurchflossenen Spule. 1. Ablenkung einer Magnetnadel: Der Daumen der rechten Hand zeigt die Richtung der Ablenkung des Nordpoles der Magnetnadel an, wenn die Fingerspitzen in die technische Stromrichtung weisen und der Draht über der Magnetnadel verläuft / 54

10 2. Bestimmung des Nordpoles einer stromdurchflossenen Spule: Umfasst man die Spule mit der rechten Hand so, dass die Fingerspitzen in die technische Stromrichtung weisen, dann zeigt der ausgestreckte Daumen in die Richtung des Nordpoles. Das Magnetfeld, das einen geraden Leiter umgibt, ist sehr schwach. Wickelt man einen längeren Draht schraubenförmig auf, so erhält man eine Spule. Bei einer Spule liegen viele Leiter nebeneinander. Bei mehreren Windungen addieren sich die Wirkungen. Es ist daher zu erwarten, dass das Magnetfeld wesentlich stärker ist als das eines einzelnen Leiters / 54

11 Eine stromdurchflossene Spule besitzt ein Magnetfeld mit einem Nord- und Südpol wie ein Stabmagnet. Die Polung einer Spule: Umfasst man die Spule so mit der rechten Hand, dass die Fingerspitzen in die technischer Stromrichtung weisen, dann zeigt der ausgestreckte Daumen in die Richtung des Nordpols der Spule. Das Magnetfeld einer Spule ist umso stärker, je größer die Stromstärke ist und je mehr Windungen bei gleicher Länge vorhanden sind. Eine praktische und technisch häufige Anwendung des Magnetfeldes einer Spule ist der Elektromagnet: Eine stromdurchflossene Spule mit einem Weicheisenkern. Eine Spule mit Weicheisenkern besitzt ein viel stärkeres Magnetfeld als eine Spule ohne Weicheisenkern, weil die Elementarmagneten des / 54

12 Weicheisenkerns ausgerichtet werden. Dadurch wird das Magnetfeld der Spule verstärkt. Ein Elektromagnet mit geschlossenem Eisenkern besitzt ein viel stärkeres Magnetfeld als ein gleichartiger Elektromagnet mit nicht geschlossenem Eisenkern. Eine Drehspule im Magnetfeld: Die stromdurchflossene Spule besitzt einen Nord- und einen Südpol. Die Pole des Dauermagneten und die Pole der Spule üben eine Kraft aufeinander aus. Infolge dieser Kraft verdreht sich die Spule, bis sich ungleichnamige Pole gegenüberliegen. Man spricht von Totlage. Diese Totlage überwindet die Spule aber von selbst, denn infolge ihrer Trägheit dreht sie sich etwas darüber hinaus. Doch die Anziehungskräfte zwischen den ungleichnamigen Polen zwingen die Spule in die Totlage zurück. Polt man den Strom in dem Augenblick um, in welchem die Spule die Totlage erreicht hat, stehen einander plötzlich gleichnamige Magnetpole gegenüber. Die Abstoßungskräfte bewirken, dass sich die Spule weiterdreht. Das Umpolen erfolgt durch den Stromwender oder Kommutator. Dieser besteht aus einem Zylinder mit zwei voneinander isolierten Metallsegmenten, an die die Enden der Spule leitend angeschlossen sind. Auf den Metallsegmenten schleifen die so genannten Bürsten, die meist aus Kohle bestehen und mit den Stromzuleitungen / 54

13 verbunden sind. Nach jeder halben Umdrehung der Spule wird umgepolt. Solange Strom fließt, dreht sich die Spule. Dieses Versuchsgerät ist ein einfacher Gleichstrommotor. Der Gleichstrommotor: Das Magnetfeld der Drehspule und damit die Kraftwirkung werden wesentlich verstärkt, wenn die Spule einen Eisenkern enthält. Die Spule mit Eisenkern und Kommutator heißt Anker / 54

14 Fließt Strom durch die Ankerspule, so erzeugt diese Spule ein Magnetfeld. Ist der Anker in Totlage, so läuft der Motor nicht von selbst an. Der Anker muss angestoßen werden. Daher besitzt der Anker eines Elektromotors mehrere Spulen, die gegeneinander versetzt sind. Damit erreicht man ein gutes Anlaufen und einen gleichmäßigen Lauf. Elektromotoren besitzen fast immer anstelle des Dauermagneten einen Elektromagneten. Dieser Magnet wird als Feldmagnet bezeichnet. Die Spule des Feldmagneten heißt Feldspule. Nur bei Kleinmotoren ist der Feldmagnet ein Dauermagnet. Ankerspule und Feldspule werden an dieselbe Stromquelle angeschlossen. Werden die beiden Spulen in Reihe geschaltet, so spricht man von einem Hauptschlussmotor. Bei Parallelschaltung erhält man einen Nebenschlussmotor. Hauptschlussmotor: Anker und Feldmagnet werden hintereinander geschaltet. Vorteil: schnelles, kräftiges Anziehen. Nachteil: Drehzahl hängt stark von Belastung ab. Verwendung: elektrische Strassenbahn, elektrische Bahn, Motoren für Aufzüge und Kräne, Kleinmotoren im Haushalt. Nebenschlussmotor: / 54

15 Anker und Feldmagnet werden parallel zueinander geschaltet. Vorteil: auch bei großer Belastung stets gleich bleibende Drehgeschwindigkeit. Verwendung: Werkzeugmaschinen, Hobel, Drehbänke, usw. Der Gleichstrommotor mit Feldspule kann auch mit Wechselstrom betrieben werden. Er heißt daher Universalmotor. Ankerspule und Feldspule werden immer gleichsinnig vom Strom durchflossen. Daher ändert sich die Drehrichtung beim Umpolen der Stromquelle nicht. Ein freibeweglicher stromdurchflossener Leiter wird in einem Magnetfeld normal zur Stromrichtung und normal zu den elektrischen Feldlinien bewegt. Der Elektromotor ist eine der wichtigsten Anwendungen des Elektromagnetismus. Die wesentlichen Teile eines Gleichstrommotors sind der Anker (Läufer oder Rotor), der Stator (der feststehende Teil) und der Kommutator, der die Änderung der Stromrichtung im Anker bewirkt. Allstrommotoren können entweder mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom betrieben werden. Der Läufer: Der drehbare Teil des Motors, der Läufer, besteht aus einer Spule, die über einen Eisenkern gewickelt ist. Schleifringe am Läufer ermöglichen mittels Schleifkontakten den Anschluss an eine Gleichstromquelle, z.b. eine Batterie. Der Läufer ist also ein Elektromagnet aus zwei Spulen und einem an den Enden abgerundeten Eisenkern. Wenn die Spulen Strom führen, bilden sich an den Rundungen Magnetpole aus; auf der einen Seite ein Nordpol, auf der anderen Seite ein Südpol. Eine Umkehrung der Stromrichtung bewirkt, dass die Pole ihre Plätze tauschen / 54

16 Der Stromwender: Der Stromwender besteht aus zwei voneinander isolierten Halbringen, den Schleifringen, an die jeweils ein Anschluss der Spule gelötet ist. Durch Schleifkontakte ist der Leiterkreis mit der Stromquelle geschlossen. Die Schleifringe bewirken, dass nach einer halben Drehung die Stromrichtung in der Spule umgekehrt wird. Dabei werden die Magnetpole des Läufers vertauscht. Dieses Umpolen wiederholt sich bei jeder weiteren Halbdrehung. Insgesamt erfährt der Läufer dadurch Kräfte immer nur in eine Richtung. Praxisbezug: Den ersten brauchbaren Elektromotor baute 1834 der Deutsche Moritz Hermann von Jacobi. Elektromotore im Haushalt: Staubsauger, Mixer, Küchengeräte, Fön, Kompressorkühlschrank, Rasierapparat, Heizlüfter, usw. Elektromotore in der Werkstatt: praktisch alle Werkzeugmaschinen werden durch Elektromotore angetrieben: Bohrmaschinen, Fräsmaschinen, Schleifmaschinen, Drehbänke, usw. Elektromotore bei Spielwaren: elektrische Eisenbahn und elektrische Autos, usw. Elektromotore in Fahrzeugen: Elektrofahrzeuge sind mit Elektromotoren angetriebene Schienen-, Strassen-, und Wasserfahrzeuge. Die Stromzufuhr kann dabei von außen über Fahrdraht oder Schiene (Elektrolokomotive, elektrische Bahnen, Oberleitungsbusse) oder aus mitgeführten Stromspeichern erfolgen (Elektroauto, Bahnhoftransporter, Hubstapler). Während die U-Bahn und die Strassenbahn mit Gleichstrom betrieben werden, benutzen die ÖBB Wechselstrom. Das Drehspulmessgerät / 54

17 Eine Drehscheibe befindet sich im Feld eines Dauermagneten. Mit der Drehspule verbunden ist ein Zeiger, der die Drehung der Spule anzeigt. Fließt Strom durch die Spule, dann dreht sie sich, bis sie die Totlage erreicht. (vgl. Elektromotor) Damit die Drehung von der Stromstärke abhängig ist, verbindet man die Drehspule mit zwei Spiralfedern. Diese üben eine Rückstellkraft auf die Drehspule aus und bilden zugleich die Stromzuführung zur Spule. Je mehr sich die Spule verdreht, desto stärker werden die Spiralfedern gespannt und desto größer ist die Rückstellkraft. Das heißt: Eine große Verdrehung erfordert eine große magnetische Kraftwirkung, also eine große Stromstärke in der Spule. Die Drehrichtung hängt von der Stromrichtung ab. Das Drehspulmessgerät ist nur für Gleichstrom geeignet. Es kann nur dann für Wechselstrom verwendet werden, wenn dieser vorher gleichgerichtetû wird. Nach dem Abschalten des Stromes wird die Drehspule durch die Spiralfeder in die Ausgangslage zurückgedreht. Um ein starkes und gleichmäßiges Magnetfeld zu erhalten, befindet sich innerhalb der Spule ein feststehender Weicheisenkern. Das Drehspulmessgerät ist deshalb nur für sehr kleine Stromstärken (ma) geeignet. Mit dem Drehspulmessgerät kann man auch Spannungen messen, da die Stromstärke in der Spule durch eine bestimmte Spannung verursacht wird. Induktion: Befindet sich eine Leiterschaukel in einem Magnetfeld, so bewegt sie sich, wenn der Strom ein- oder ausgeschaltet wird. Dabei ist der elektrische Strom die Ursache für / 54

18 die Bewegung im Magnetfeld. Man kann Ursache und Wirkung aber auch vertauschen: Michael Faraday entdeckte 1831 diese Art der Spannungserzeugung: Durch die Bewegung eines Leiters im Magnetfeld wird eine elektrische Spannung induziert. Diese Spannung heißt Induktionsspannung, der von ihr hervorgerufene Strom Induktionsstrom. Man nennt dieses Prinzip das Induktionsprinzip: Ändert sich das Magnetfeld in der Spule, entsteht zwischen den Spulenanschlüssen eine elektrische Spannung, eine Induktionsspannung (lat. inducere = hineinführen). Die induzierte Spannung verursacht in einem geschlossenen Leiterkreis einen Stromfluss. Die in einer Spule induzierte Spannung ist umso größer, je rascher sich das Magnetfeld in der Spule ändert, je mehr Windungen die Spule besitzt und je stärker das Magnetfeld ist. Beispiele für Anwendungen sind einfache Sprechanlagen oder die Datenspeicherung auf Magnetbändern. Der Generator: Die Induktion in Spulen wird in der Elektrotechnik zur maschinellen Erzeugung von Spannungen und damit von Strömen genutzt. Maschinen, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, heißen Generatoren (lat. = Erzeuger). Die Änderung der Anzahl der magnetischen Feldlinien innerhalb der Leiterschleife hat eine Induktionsspannung zur Folge. Nach jeder halben Drehung kehrt sich - von der Leiterschleife aus gesehen die Richtung der magnetischen Feldlinien und damit die Richtung des Induktionsstromes um. Wir erhalten als einen Strom, der seine Richtung periodisch wechselt, einen Wechselstrom / 54

19 Wie bei einem Elektromotor wird der feststehende Teil des Generators Stator, der sich drehende Teil Läufer oder Rotor genannt. Bei hohen Spannungen tritt bei der Stromabnahme an den Schleifringen eine starke Funkenbildung auf. Diese kann man verhindern, in dem man statt den Leiterschleifen das Magnetfeld rotiert. Man verlegt daher die Induktionsspulen in den Stator und die Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldes in den Rotor. Dieser rotierende Elektromagnet heißt auch Polrad. Durch diese Anordnung wird es möglich, dass die induzierte Wechselspannung ohne Schleifringe direkt an den Enden der unbewegten Wicklungen des Stators abgenommen werden kann. Die Regelung der Spannung erfolgt durch Änderung der Stärke des rotierenden Magnetfeldes. Die Frequenz des Wechselstromes hängt von der Drehzahl des Läufers ab. Die für den rotierenden Elektromagnet notwendige Gleichspannung wird meistens von einem eigenen Gleichstromgenerator erzeugt. Sie ist verhältnismäßig niedrig und kann daher ohne wesentliche Funkenbildung über Schleifringe zugeleitet werden / 54

20 In wirklichen Generatoren ist die Leiterschleife durch eine oder mehrere Spulen mit Eisenkern ersetzt. Anstelle eines Feldmagneten gibt es eine oder mehrere Feldspulen. Es gibt zwei Arten von Generatoren: Außenpol- und Innenpolgeneratoren. In einem Außenpolgenerator sind die magnetischen Pole außen angeordnet, im Inneren dreht sich die Induktionsspule. Es ist aber auch die umgekehrte Anordnung möglich: Im Inneren dreht sich der Läufer mit den Feldspulen, während die Induktionsspulen außen am Stator angebracht sind. Da sich die Pole des Läufers an den Spulen des Ständers vorbeidrehen, ändert sich die Stärke des Magnetfeldes im Inneren dieser Spulen ständig. Es wird Spannung induziert. Ein Beispiel für einen Wechselstromgenerator ist der Fahrraddynamo. Seine Wicklungen sind auf einem Anker angebracht, der sich im Feld eines starken Permanentmagneten dreht. Die Enden der Wicklungen werden zu Schleifringen geführt, von denen der Strom über Bürsten aus Kohle abgenommen wird. Es gibt aber auch Dynamos, bei denen ein Dauermagnet rotiert und der Wechselstrom an den Spulen des Stators abgenommen wird. Gewinnung und Transport elektrischer Energie: Fakten: / 54

21 Im langjährigen Mittel steigt der Verbrauch an elektrischer Energie in Österreich jährlich um 2,5 bis 3 % / 54

22 Wieviel der Verbrauch an elektrischer Energie in einem Jahr tatsächlich zunimmt, hängt von der Wirtschaftslage ab. Ist die Wirtschaftslage gut, steigt der Bedarf an elektrischer Energie rascher. Grundlast: Unter Grundlast versteht man die Mindestleistung, die dem Verbundnetz immer abverlangt wird. Spitzenlast: Die Spitzenlast ist der erhöhte Leistungsbedarf über die Grundlast hinaus. Kraftwerke: In allen Kraftwerken wird durch Generatoren mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die einzelnen Kraftwerke unterscheiden sich nur in der Art der zugeführten Energie und der Bauweise der Turbinen, die die Drehbewegung für die Generatoren erzeugen / 54

23 Je nach Art des Antriebes der Turbinen können die Kraftwerke in drei große Gruppen eingeteilt werden: Wasserkraftwerke: Der Antrieb der Turbinen erfolgt durch die Wasserkraft. Wärmekraftwerke oder kalorische Kraftwerke: Als Antrieb für die Turbinen wird Wasserdampf verwendet, zu dessen Herstellung Wärme notwendig ist. Diese Wärme wird durch Verbrennung von Kohle (Kohlekraftwerke), Heizöl (Ölkraftwerk) oder Erdgas (Gaskraftwerk) gewonnen / 54

24 Kernkraftwerke: (Atomkraftwerke) arbeiten wie Wärmekraftwerke, nur wird die zur Dampfherstellung nötige Wärmemenge aus Kernprozessen gewonnen. Elektrische Energie lässt sich nicht in größeren Mengen speichern. Sei muss daher immer genau dann erzeugt werden, wenn sie benötigt wird. In Österreich dienen in erster Linie Flusskraftwerke und zweiter Linie Wärmekraftwerke (kalorische Kraftwerke) zur Gewinnung elektrischer Energie. Sie decken die Grundlast. Im Winter, wenn die Flüsse wenig Wasser führen, müssen verstärkt Wärmekraftwerke eingesetzt werden. Zur Abdeckung des über die Grundlast hinausgehenden Bedarfs an elektrischer Energie, der Spitzenlast, dienen Speicherkraftwerke. Bei einem Speicherkraftwerk wird Wasser hinter einer Schleuse gestaut. Da der Höhenunterschied zwischen dem Stausee und dem eigentlichen Kraftwerk möglichst groß sein soll, gibt es Speicherkraftwerke nur in gebirgigen Gegenden / 54

25 In allen Kraftwerken sind die Läufer der Generatoren mit Turbinenrädern verbunden. In Flusskraftwerken sind dies Kaplan Turbinen, in Wärmekraftwerken Dampfturbinen. In Speicherkraftwerken mit einer geringen Fallhöhe verwendet man Francis Turbinen, bei großer Fallhöhe verwendet man Pelton Turbinen. Praxisbezug: Die Standortwahl Bei der Wahl eines Kraftwerk Standortes sind verschiedene, zum Teil gegensätzliche Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Wasserkraftwerke können beispielsweise nur an Orten errichtet werden, die sich für das Aufstauen eines fließenden Gewässers eignen. Um Transportkosten zu sparen, ist es sinnvoll, Kohlekraftwerke in der Nähe des Bergbaus, Ölkraftwerke in der Nähe der Raffinerien zu errichten. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit sollten Wärmekraftwerke nahe / 54

26 an den Verbraucherstellen, also in der Nähe von Städten entstehen, vom Standpunkt des Umweltschutzes ist wegen der Umweltbelastung ein größerer Abstand wünschenswert. Besonders umstritten ist der Bau von Kernkraftwerken, da auch Länder, die selbst auf den Bau von Kernkraftwerken verzichten, sich durch Kernkraftwerke der Nachbarstaaten bedroht fühlen können / 54

27 Welche Kraftwerke lässt man zu welcher Zeit laufen? Flusskraftwerke: in den Staustufen unserer Flüsse liefern sie ständig elektrische Energie ins Netz. Würden sie abgeschaltet, liefe das Flusswasser unnütz über das Wehr. Daher eignen sie sich zur Deckung der Grundlast. Die Menge der gewonnenen Energie ist von der jeweiligen Wassermenge der Flüsse abhängig, sie steigt bei Regen und Schneeschmelze und bei Trockenheit und Kälte nimmt sie ab. Der Wirkungsgrad ist sehr gut, er liegt bei % / 54

28 Wärmekraftwerke: werden mit Kohle, Heizöl oder Erdgas betrieben. Sie steuern sowohl zur Deckung der Grundlast (im Winter, wenn die Flüsse Niederwasser führen) als auch zur Spitzenlast bei. Ihre Anfahrtszeitenû liegen im Stundenbereich. Wärmekraftwerke sind nicht so umweltfreundlich wie Wasserkraftwerke (Rauchgase), und auch der Wirkungsgrad ist um einiges schlechter: Wirkungsgrad bei Dampfturbinen % Wirkungsgrad bei Gasturbinen % Die Baukosten sind geringer, der Aufwand für Brennstoffe und Personal höher als bei den Wasserkraftwerken. Speicherkraftwerke: am Fuß von Stauseen im Hoch- oder Mittelgebirge (z.b. Kaprun) decken sie die Verbrauchsspitzen während der Mittagsbergeû. Ihre Turbinen lassen sich nämlich innerhalb von Minuten von Leerlauf auf Höchstlast bringen. Schnelle Lasterhöhungen können deshalb besonders gut abgefangen werden. Speicherkraftwerke sind nicht dauernd in Betrieb. Wenn sie stillstehen, wird kein Wasser vergeudet; es bleibt für später im Stausee. Pumpspeicherkraftwerke: können überschüssige elektrische Energie speichern. Dabei wird zum Beispiel nachts von Flusskraftwerken erzeugte elektrische Energie, sogenannter Nachtstromû, dazu verwendet, Wasser in hochgelegene Staubecken zu pumpen. Dieses Wasser steht dann tagsüber zusätzlich zur Verfügung: Aus billigem Nachtstrom wird teurer Tagstrom. Kernkraftwerke: sind mit Kernenergie betriebene Wärmekraftwerke. Die Wärme wird dabei nicht durch einen Verbrennungsvorgang, sondern durch Kernspaltung von Uran bzw. Plutonium in einem Reaktor gewonnen und zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet. Der Wasserdampf treibt dann, genau wie bei einem Wärmekraftwerk, die Turbinen an. Außer Wärme entsteht aber bei der Kernspaltung auch noch eine für den Menschen sehr gefährliche Strahlung, die radioaktive Strahlung, die auch noch von den abgebrannten Brennelementen ausgesendet wird. Schutzmaßnahmen beim Bau von / 54

29 Kernkraftwerken und Vorsorge für die Lagerung des abgebrannten Reaktormaterials sind daher von größter Bedeutung. Weitere (mögliche) Energiequellen: Sonnenenergie, Windenergie, Erdwärme, Kleinkraftwerke (Abfälle, Stallmist, Stroh). Wozu braucht man Hochspannungsleitungen? In Haushalt und Industrie wird eine Spannung von 220 V oder 380 V verwendet. Die Spannung in Hochspannungsleitungen beträgt aber V, V oder sogar V. Die riesige Stromstärke, die man benötigt, um den Leistungsbedarf z.b. einer Ortschaft abzudecken, würde sehr dicke Leitungsdrähte erfordern. Dicke / 54

30 Leitungen sind aber teuer, überdies würden sich die Leitungsdrähte stark erwärmen, was wiederum hohe Energieverluste bedeuten würde (Leitungsverluste). Wird die Leistung aber durch eine Hochspannungsleitung übertragen, ist die Stromstärke viel kleiner und damit sind auch die Leitungsverluste sehr viel geringer. In einem Umspannwerk neben dem Kraftwerk formen Transformatoren eine Niederspannung in eine Hochspannung um. Nun wird die elektrische Energie in das Verbrauchergebiet übertragen. Dort wird die Hochspannung in einem weiteren Umspannwerk in eine mittlere Spannung von bis V umgeformt. Von diesen aus erhalten die einzelnen Ortsnetze elektrische Energie mit den Spannungen 220 V und 380 V. Das Österreichische Verbundnetz: / 54

31 Da ständig Verbraucher ein und ausgeschaltet werden, ändert sich die Belastung laufend. Die Leistungsabgabe eines Kraftwerkes kann aber nicht so einfach verändert werden. Ein Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch ist umso leichter möglich, je mehr Kraftwerke zusammengeschaltet werden. Dieser Ausgleich erfolgt in Österreich durch das Verbundnetz. Es besteht aus V und V Leitungen. Unser Verbundnetz ist aber auch in das große westeuropäische Verbundnetz eingebunden. Weiters ist ein Stromaustausch mit dem osteuropäischen Verbundnetz möglich. Durch diesen internationalen Verbundbetrieb werden nicht nur Belastungsschwankungen ausgeglichen, es kann auch der plötzliche Ausfall eines großen Kraftwerkes verkraftet werden. Zu den Aufgaben der österreichischen Verbundgesellschaft gehören u.a. die Ermittlung des gegenwärtigen und zukünftigen Strombedarfs, der Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch des zur Verfügung stehenden Stromes im Verbundnetz, die Errichtung und der Betrieb von Verbundleitungen, Umspann- und Schaltwerken und Großkraftwerken. Rund die Hälfte der in Österreich benötigten Energie kann durch Laufkraftwerke gedeckt werden. Es sind dies, wie oben bereits erwähnt, Wasserkraftwerke ohne Speichermöglichkeit, in denen der Wasserzuschuss nur zum Zeitpunkt seines Anfalles ausgenützt wird. (z.b. Donaukraftwerke Ybbs-Persenbeug & Altenwörth) Die Leistungsfähigkeit von Laufkraftwerken ist Schwankungen unterworfen, da z.b. im Winter die Zuflüsse stark zurückgehen. Ungefähr ein Viertel des Bedarfs decken Wärmekraftwerke (z.b. Mellach, Dürnrohr oder Voitsberg). Die Erzeugung des für den Antrieb der Turbinen benötigten Dampfes erfolgt mit der beim Verbrennen von Kohle, Erdöl oder Erdgas freiwerdenden Wärme. Zur Deckung des zu bestimmten Zeiten, z.b. während der Morgen- und Abendstunden, auftretenden Spitzenverbrauches dienen die Speicherkraftwerke. Hierbei unterscheidet man zwischen Tages- und Wochenspeichern, die den Spitzenverbrauch während eines Tages bzw. einer Woche ausgleichen, und Jahresspeicherwerken, die die Anpassung an die jahreszeitlichen Schwankungen des Verbrauches ermöglichen. Beispiele für Kurzzeitspeicher sind ein Speicher des Speicherkraftwerkes Gerlos (Wochenspeicher) und die sogenannten Schwellkraftwerke (Schwabeck, Lavamünd an der Drau und Großraming an der / 54

32 Enns), die in Zeiten niedriger Wasserführung den nutzbaren Zufluss während einiger Stunden aufstauen, um anschließend kurzfristig eine höhere Leistung abgeben zu können. 3. Arbeiten mit dem Motor Beschreibung des Geräts: Die Gerätesammlungen Elektrolehrmaschinenû (ELM) dienen der einfachen und übersichtlichen Darstellung von Aufbau, Arbeits- und Wirkungsweise von Generatoren und Motoren. Mit verhältnismäßig wenigen und in ihrer Funktion leicht zu durchschauenden Einzelteilen lässt sich eine erstaunlich große Anzahl wertvoller Versuche durchführen, bei denen sich der Vorteil einer Modellmäßigen Vereinfachung mit großer Wirklichkeitstreue vereint. Die Anwendung physikalischer Vorgänge einerseits und die Arbeitsweise gebräuchlicher Maschinen in der Technik andererseits können gleichermaßen anschaulich demonstriert werden. Das Aufbauprinzip der ELM besteht darin, dass alle Einzelteile der aufzubauenden Maschinen an senkrecht stehenden Grundbrettern angebracht werden. Die folgende Aufstellung gibt einen Überblick über das vorhandene Zubehör: 1. Das Grundbrett: / 54

33 Das Grundbrett besteht aus zwei rechwinkeligen miteinander verbundenen Holzplatten A und C, zugehörig sind 1 Bürstenbrücke und 6 Schrauben. Die kleinere, etwa 14 x 22 cm² große Platte A dient als Fuß, während die 22 x 23 cm² große Platte der Montage dient. An der Vorderseite der Montageplatte ist eine runde Eisenplatte E mit acht Gewindebohrungen zur Befestigung der Polschuhe mit Scheibenmagneten oder mit Spulen, sowie eine gehärtete, polierte Achse F von 8 mm Ø zum Aufsetzen der Rotoren angebracht. Die vier Buchsenpaare D (Anschlussbuchsen) an der Vorderseite haben keine elektrischen Verbindungen innerhalb der Platte. Sie werden als Stütz- und Anschlusspunkte für Experimentierschnüre mit 4 mm Stecker verwendet. Das Einstecken ist sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite möglich. Die in den Schmalseiten vorhandenen Buchsen B (Lampenbuchsen) besitzen ebenfalls keine elektrischen Verbindungen nach innen. Sie werden zum Aufstecken der kleinen Glühlampenfassung auf das Brett benützt / 54

34 Die Bürstenbrücke G aus Leichtmetall besitzt sowohl die Haltermöglichkeit für Bürsten, die an den Kollektor angreifen sollen (a und b), als auch für den Anschluss an die Schleifringe (c, d und e). Zum Befestigen an der Achse dient eine Rändelschraube. Die 6 vernickelten, ca. 35 mm langen Schrauben H werden für die Befestigung der Polschuhe mit Scheibenmagneten oder mit Spulen an der Frontplatte des Grundbrettes benützt. 2. Das Zubehör zum Grundbrett: / 54

35 Das Zubehör zum Grundbrett umfasst Ölkännchen, Schraubenschlüssel, Glühlampenfassung, Glühlampen, Zentrierschraube und Tischklemme. Das Ölkännchen füllt man nach Abschrauben der Überwurfmutter und Umkehrung der Spitze mit Nähmaschinenöl. Der Schraubenschlüssel ist als Steckschlüssel für die Sechskantschrauben bestimmt. Die beiden Glühlämpchen dienen vorwiegend zum qualitativen Nachweis des erzeugten Stromes. Mit den Steckern wird die Fassung in den Lampenbuchsen B des Grundbrettes befestigt. Die Zentrierscheibe mit einem Durchmesser von 90,5 mm besteht aus Leichtmetall. Sie hat einen Rohransatz und zwei Grifflöcher. Für die einwandfreie Montage der Polschuhe ist sie unerlässlich. Die Tischklemme ist zur Befestigung des Grundbrettes an der Tischplatte dann erforderlich, wenn die aufgebaute Maschine mit mechanischer Kraft angetrieben wird. 3. Die Bürste: Die Bürste ist eine Kohlebürste, die federnd in einen Isolierschaft eingesetzt ist. Sie besitzt ein ca. 25 cm langes Bürstenkabel mit einem 4 mm Bananenstecker. 4. Die Scheibenmagnete: / 54

36 Die Scheibenmagnete bestehen aus in Kunstharze eingebetteten, modernen Magnetmaterialien. Der Nordpol ist durch einen roten Farbring gekennzeichnet. 5. Die Spulen: Die Spulen befinden sich in einem Spulenkörper mit zwei isolierten Anschlussbuchsen. 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 Spannungsquelle und der roten mit dem negativen Pol besitzt die Spule an der Anschlussseite einen magnetischen Nordpol. 6. Die breiten Polschuhe ohne Ansatz: / 54

37 Zusammen mit den breiten Polschuhen ohne Ansatz werden die Scheibenmagnete am Grundbrett befestigt, sodass die Magnete an den geschliffenen Flächen der Polschuhe anliegen. 7. Die breiten Polschuhe mit Ansatz: Die breiten Polschuhe mit Ansatz werden in Verbindung mit den Spulen entweder paarweise gegenüber angeordnet oder drei Stück werden um je 120 gegeneinander versetzt verwendet. 8. Der Zweipolrotor: / 54

38 Der Zweipolrotor ist doppel T förmig und hat eine durchgehende Wicklung, deren Ende elektrisch sowohl mit den Schleifringen als auch mit den beiden Kollektorstegen verbunden ist. Der dritte Schleifring ist bedeutungslos und deshalb lackiert. 9. Der Dreipolrotor: Der Dreipolrotor enthält drei Spulen in Dreiecksschaltung. Die Enden von zwei benachbarten Spulen sind immer gemeinsam an einen Schleifring und an einen Kollektorsteg gelegt. 10. Außerdem: Der Trommelmotor: / 54

39 und der Kurzschlussmotor: 11. Die Drehfeldlasche: Die Drehfeldlasche ist ein Flacheisen mit einem Lager in der Mitte und zwei Gewindebohrungen. Mit Scheibenmagneten und Polschuhen ohne Ansatz kann ein mechanisch bewegtes Drehfeld geschaffen werden / 54

40 12. Handantrieb: Das Vorgelege mit Handantrieb kann bei allen Generatorversuchen zum Antreiben des Rotors benutzt werden. Mit Hilfe der Tischklemme wird das Vorgelege fest an einer Tischkante befestigt. Die zweistufige Riemenscheibe besitzt Freilauf für beide Richtungen. Über den zugehörigen Treibriemen wird die Riemenscheibe mit dem anzutreibenden Rotor verbunden. 13. Das Demonstrationsdrehspulmessgerät: / 54

41 Handhabung: Die Achse des Grundbrettes soll erforderlichenfalls mit einem Lappen von eingedickten Ölrückständen befreit werden. Dann werden 1 2 Tropfen Nähmaschinenöl auf der Achse verteilt. Bei Generatorantrieb 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. Die Spannung des Treibriemens ist so zu wählen, dass der Rotor der Antriebsbewegung unverzüglich ohne Schlupf, aber auch ohne spürbaren Widerstand folgt. 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 (Schraubenschlüssel benützen!) so befestigt, dass ein möglichst großer Teil ihres inneren Randes die Zentrierscheibe so fest / 54

42 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. Bei den Spulen erreicht man die entsprechende Polung mit diesen Schaltungen: Die empfindlichsten Teile der ELM, die Bürsten, müssen besonders sorgfältig behandelt werden. Grundsätzlich sollte man sie von Zeit zu Zeit erneuern und mit Schmirgelpapier glatt schleifen / 54

43 4. Wie erkläre ich den Stoff? Zu diesem Thema gibt es sehr viele, einfache Versuche, die auch für Schüler geeignet sind (Gebiet: Magnetismus). Zusätzlich bieten die ELM (sofern sie vorhanden sind) eine sehr gute Möglichkeit, den Schülern dieses Themengebiet plastisch näher zu bringen. Eine Möglichkeit sehe ich auch darin, dass sich zu dem Thema Generatoren / Motoren auch einige lebendigeû Anschauungsmodelle (Wieso fährt ein Auto?) einbringen lassen. 5. Tafelbild & 6. Folien Da kein Tafelbild gefordert wurde, werde ich in diesem Protokoll auch keines anführen, die Skizzen in diesem Protokoll (vgl. Versuche und Theoretische Grundlagen für den Lehrer) sollten die Vorbereitung aber etwas erleichtern. 7. Versuche Zeit Hier ein kurzer Überblick über die durchgeführten Experimente und deren ungefähre Dauer. (Aufgelistet sind nur die Unterstufenversuche. Baut man die Versuche zum allerersten Mal auf, muss man mit min min rechnen!) (ohne Aufbau / mit Aufbau) / 54

44 Generator mit Permanentmagnet: o 1. Wechselstromerzeugung 10 min / 18 min o 2. Gleichstromerzeugung 10 min / 18 min Generator mit Elektromagnet: o 3. Außenpolgenerator 10 min / 18 min o 4. Innenpolgenerator 10 min / 18 min Elektromotor mit Permanentmagnet: o 5. Der einfache Gleichstrommotor 10 min / 18 min o 6. Der selbst anlaufende Gleichstrommotor 10 min / 18 min Versuchsanordnungen (1) Versuchsdurchführungen (2) Theoretischer Hintergrund (3) I. Generator mit Permanentmagnet: In einer Spule, die sich in einem Magnetfeld so bewegt, dass ihre Windungen von den magnetischen Feldlinien geschnitten werden, wird eine Spannung induziert. 1. Wechselstromerzeugung / 54

45 (1) Material: Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben Tischklemme 2 Bürsten 2 Scheibenmagnete 2 breite Polschuhe ohne Ansatz Zweipolrotor Vorgelege mit Handantrieb Demonstrationsdrehspulmessgerät Experimentierkabel Aufbau: Zunächst wird die Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun werden die Scheibenmagnete samt den breiten Polschuhen ohne Ansatz mit je einer Schraube am Grundbrett so befestigt, dass die Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind und sich diese leicht drehen lässt. Magnete so aufsetzen, dass die Polschuhe ungleichnamige Pole bilden (als Orientierungshilfe dient der rote Ring am Magneten). Dann ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Zweipolrotor, befestigt den Keilriemen und zuletzt die Bürstenbrücke. (2) Versuch: Zwei Kohlebürsten werden in zwei Schleifringkontakte der Bürstenbrücke eingesetzt. Die anderen Enden führt man an die vorgesehenen Kontaktstellen am Grundbrett. Von dort stellt man eine leitende Verbindung zum Amperemeter her (Messbereich 0,03 A Gleichstrom). Bewegt man den Rotor, der zu Beginn der Versuche senkrecht im Polfeld stehen soll, nicht zu schnell mit der Hand, so zeigt das Messgerät einen Ausschlag, der nach einer Rotordrehung um 90 am größten ist, nach einer weiteren Vierteldrehung auf / 54

46 null absinkt und nach weiterer Drehung um 90 ein Maximum in entgegengesetzter Richtung erreicht. Nach einer Gesamtumdrehung um 360 beträgt die Stromstärke wieder null. Es fließt also ein Strom, der nach jeder halben Umdrehung des Rotors seine Richtung ändert. Treibt man den Rotor mit dem Handvorgelege an, so fließt ein im 1 A Wechselstrom Messbereich des Strommessers nachweisbarer Wechselstrom, der mit zunehmender Drehfrequenz stärker wird. (3) Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis: Ausschlag bei 90 2 ma ma ma ma Mit Antrieb erhielten wir einen Wechselstrom von 1 A. (Maximum bei schnellem Drehen) 2. Gleichstromerzeugung (1) / 54

47 Material: (siehe oben) Aufbau: (siehe oben) (2) Versuch: Die Enden der Rotorwicklungen sind außer mit den Schleifringen mit zwei gegeneinander isolierten Ringhälften, dem Kollektor, verbunden. Am Kollektor kann Gleichspannung abgenommen werden. Die durch Drehen des Rotors erzeugte Generatorspannung wird am Kollektor abgenommen. Dazu ist es erforderlich, dass die in den gegenüberliegenden Halterungen der Bürstenbrücke befestigten Bürsten genau parallel zur Richtung des Magnetfeldes stehen. Man verbindet die Bürsten mit dem 0,03 A Gleichstrombereich des Strommessers und dreht den zunächst senkrecht stehenden Rotor mit der Hand. Der Strommesser zeigt bei einer Rotordrehung um 90 ein Maximum, bei 180 null, bei 270 wieder das gleiche Maximum und bei 360 wieder null. Die zweite Halbphase des Wechselstromes wird also umgeklapptû. Bei Antrieb des Rotors durch das Handvorgelege fließt ein im 1 A Gleichstrommessbereich des Strommessers nachweisbarer Gleichstrom, der mit zunehmender Drehfrequenz stärker wird. (3) Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis: Ausschlag bei 90 2 ma ma ma ma Mit Antrieb erhielten wir einen Gleichstrom von 0,6 A. (Maximum bei schnellem Drehen) / 54

48 II. Generator mit Elektromagnet: Es wird zunächst die Funktionsweise eines Außenpolgenerators gezeigt. Dies hat jedoch technisch keine große Bedeutung, da der gesamte erzeugte Strom über die Bürsten fließt und diese zu stark belastet. Wirtschaftliche Bedeutung hat jedoch der Innenpolgenerator. Bei diesem dreht sich ein von Gleichstrom durchflossener Zweipolrotor zwischen zwei gegenüberliegenden Spulen und induziert darin eine Spannung. 1. Außenpolgenerator (1) Material: Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben Tischklemme 2 Bürsten 2 Spulen mit 250 Windungen 2 breite Polschuhe mit Ansatz Zweipolrotor / 54

49 Vorgelege mit Handantrieb Kleinspannungsstelltrafo Demonstrationsdrehspulmessgerät Experimentierkabel Aufbau: Zunächst wird die Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun wird je eine Spule von 250 Windungen auf den Ansatz eines breiten Polschuhes gesetzt und mit dem Grundbrett verschraubt. Man beachte, dass die Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind und sich diese daher leicht drehen lässt. Dann ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Zweipolrotor, befestigt den Keilriemen und zuletzt die Bürstenbrücke. (2) Versuch: Man verbindet die weißen Buchsen der Feldspulen miteinander. An die roten Buchsen legt man eine Gleichspannung von 2 4 V. Damit ist gewährleistet, dass die beiden Magnete verschiedene Polarität besitzen. Die beiden Kohlebürsten werden in die Schleifringkontakte gesteckt und mit dem Amperemeter (Messbereich 0,03 A Gleichstrom) verbunden. Beim langsamem Drehen des Rotors kann man mit dem Messgerät die einzelnen Spannungsstöße in Form von ständiger Zeigerbewegung beobachten. Die Spannung erreicht ihr Maximum, wenn sich der Rotorkopf in der Nähe der Spule befindet und ihr Minimum, wenn er sich um 90 weitergedreht hat. Nach einer weiteren Vierteldrehung entsteht ein Maximum in entgegengesetzter Richtung usw. An den Schleifringen kann also Wechselspannung abgegriffen werden. Treibt man den Rotor mit Handvorgelege an, so fließt ein im 1 A Wechselstrombereich des Strommessers nachweisbarer Strom, der mit zunehmender Drehfrequenz stärker wird. Am Kollektor kann ein pulsierender Gleichstrom abgenommen werden. (3) Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis: / 54

50 Wir haben 2 V Gleichspannung angelegt und konnten einen pulsierenden Ausschlag von + / - 2 ma feststellen. Mit Handantrieb erreichten wir 0,35 A. (Maximum bei schnellem Drehen) 2. Innenpolgenerator (1) Material: (siehe oben) Aufbau: (siehe oben) (2) Versuch: Die weißen Buchsen der Induktionsspulen werden miteinander verbunden. Die roten Buchsen verbindet man über ein Messinstrument miteinander. Den Schleifringen des Rotors wird über die Bürsten eine Gleichspannung von 2 4 V zugeführt. Die Durchführung des Versuchs erfolgt genauso wie oben / 54

51 (3) Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis: Wir haben 4 V Gleichspannung angelegt und bemerkten dieselben Ausschläge wie oben. Mit dem Handantrieb erreichten wir 0,1 A. (Maximum bei schnellem Drehen) III. Elektromotor mit Permanentmagnet: Man untersucht das Verhalten einer vom Gleichstrom durchflossenen drehbar gelagerten Spule in einem Permanentmagnetfeld. 1. Der einfache Gleichstrommotor (1) Material: Grundbrett mit Bürstenbrücke und 2 Schrauben 2 Bürsten 2 Scheibenmagnete 2 breite Polschuhe ohne Ansatz Zweipolrotor Dreipolrotor Kleinspannungsstelltrafo Demonstrationsdrehspulmessgerät Experimentierkabel / 54

52 Aufbau: Motor entsprechend der Abbildung aufbauen. Montage der Polschuhe nur bei aufgesteckter Zentrierscheibe vornehmen. Magnete so aufsetzen, dass Polschuhe ungleichnamige Pole bilden (als Orientierungshilfe dient der rote Ring am Magneten). Eine Gleichspannung von ca. 5 V wird an den Kollektor angelegt. (2) Versuch: Gemäß dem Versuchsaufbau wird der Zweipolrotor verwendet. Spannungsquelle einschalten, Rotor mit der Hand anwerfen. Bürstenstellung ermitteln, bei der das Bürstenfeuer am geringsten ist. (3) Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis: Eine stromdurchflossene Spule (Rotor) erfährt im Feld eines Permanentmagneten ein Drehmoment, das eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Die erforderliche Änderung der Stromrichtung im Rotor und damit des Magnetfeldes wird durch den Kollektor bestimmt. Durch Umpolen der Spannungsquelle kann der Drehsinn des Motors geändert werden. 2. Der selbst anlaufende Gleichstrommotor / 54

53 (1) Material: (siehe oben) Aufbau: (siehe oben) (2) Versuch: Gemäß dem Versuchsaufbau wird der Dreipolrotor verwendet. Spannungsquelle einschalten. Günstige Bürstenstellung einstellen. (3) Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis: Während der Zweipolrotor im Allgemeinen nicht ohne mechanischen Anstoß anläuft, wird dieses Selbstanlaufen mit dem Dreipolrotor immer erreicht, da bei jeder Rotorstellung ein Drehmoment wirksam ist. Durch Umpolen an der Spannungsquelle kann wieder der Drehsinn des Motors geändert werden. Das Voltmeter zeigte uns einen Wert von 4,5 V (5 V angelegt). 8. Experimentelle Schwierigkeiten Die Scheibenmagnete montiert man so, dass sie auf der einen Seite an das Grundbrett, auf der anderen an die geschliffene Seite der Polschuhe grenzen. Man sollte die Messgeräte vorher ausprobieren (manche funktionieren zu ungenau). Außerdem genügen mechanische anstatt von digitalen Geräten. Ein häufiger Fehler ist, wenn man den Wicklungssinn der Spulen nicht beachtet / 54

54 Tipp: Alte Kohlen sollte man immer wieder schleifen, aber je mehr man sie abnützt, desto dünner werden sie. Es kann passieren, dass sie irgendwann aus den Halterungen herausrutschen, deshalb sollte man dann die Kohlen nicht mehr senkrecht, sondern waagrecht in den Bürstenkopf einsetzen, d.h. die Bürstenbrücke um 90 versetzt monieren. Den Handantrieb sollte man wirklich fest montieren, beim Kurbeln löst er sich sonst sehr leicht von der Tischkante. Wenn eine Schaltung nicht auf Anhieb funktioniert, sollte man zuerst mehrmals den Aufbau kontrollieren, er war zumindest für uns eine potentielle Fehlerquelle. 9. Medien (vgl. Folien und Tafelbild) 10. Was diktiere ich ins Heft? Da keine Mitschrift für die Schüler gefordert wird, werde ich diese nicht extra angeben. Die Theoretischen Grundlagen für den Lehrerû sollten die Zusammenstellung aber erleichtern. 11. Anmerkungen Kritiken und Verbesserungsvorschläge (vgl. Experimentelle Schwierigkeiten) 12. Anhang Fotos zu den Versuchen vgl / 54

55 Literaturverzeichnis: Gollenz, u.a. (2.Auflage 1991; Nachdruck 1992). Lehrbuch der Physik, 4. Klasse AHS, Lehrbuch Physik und Chemie, 4 Klasse HS. Wien: Verlag Hölder Pichler Tempsky. ISBN.: bzw. ISBN.: Bader & Walz (1998). Blickpunkt Physik 4 (AHS), Blickpunkt Physik und Chemie 4 (HS). Wien: Verlag E. Dorner. ISBN.: bzw. ISBN.: X Gollenz, OStr. Dr. Franz, Konrad, OStr. Franz & Breyer, Mag. Gustav (1. Auflage 1980), Lehrbuch der Physik für allgemeinbildende höhere Schulen, 3. Teil für die 4. Klasse. Wien: Verlag Hölder Pichler Tempsky. ISBN.: bzw. ISBN.: Obendrauf, Arge, Wolfbauer, Arge & u.a. (2. Auflage 1992). Physik heute 4 (für AHS), Physik und Chemie heute 4 (für HS zweibändig). Salzburg. Salzburger Jugend - Verlag im Veritas Verlag (Linz). ISBN.: bzw. ISBN.: Paill, Schmut & Wahlmüller (1991). Physik 4. Wien: Verlag E. Dorner. ISBN.: Albrecht, u.a. (1999). Von der Physik und Chemie 4 (für HS zweibändig), Von der Physik 4 (für AHS). Wien: Verlag E. Dorner. ISBN.: bzw. ISBN.: Ludick, Dopler, Hinterbuchinger & Reitinger (1991). Begegnung mit Physik 4, Begegnung mit Chemie 4 (für HS zweiteilig), Begegnungen mit Physik 4 (für AHS). Linz: Veritas Verlag. ISBN.: bzw. ISBN.: Jaritz, u.a. (1. Auflage 1988). Welt der Physik, 4. Klasse AHS. Wien: Verlag Hölder Pichler Tempsky. ISBN.: Lewisch & Molzer (1989, Nachdruck 1991). Physik 3, 4. Klasse AHS, Physik / Chemie 3, 4. Klasse HS (Teilband Physik). Wien: Georg Westermann Verlagsges.m.b.H. Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 10, M. Bernhard Leybold Versuchsbeschreibung zu den ELM Beschreibung zu den Schülerversuchen Folienmappe der E-Werke / 54

56 Anhang 1: Versuch: Elektromotor mit Permanentmagnet: Der einfache Gleichstrommotor

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