Schulversuchspraktikum 2000 bei Mag. Monika TURNWALD. Christian J. ZÖPFL Matrikelnummer mit Günter EIBENSTEINER

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1 PROT OKOLL Versuche mit dem NT L Elektronik Baukasten DER GENERA T OR Schulversuchspraktikum 2000 bei Mag. Monika TURNWALD Christian J. ZÖPFL Matrikelnummer mit Günter EIBENSTEINER

2 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS 1. GRUNDSÄTZLICHES SEITE ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION 1.2. DER GENERATOR 2. PÄDAGOGISCHE AUFBEREITUNG SEITE LERNZIELE 3. DURCHGEFÜHRTE VERSUCHE Seite Grundversuch zur Induktion 3.2. Wechselstromerzeugung 3.3. Gleichrichtung durch den Kollektor 3.4. Spannungskurven bei Gleich und Wechselstromgeneratoren 3.5. Abhängigkeit der Klemmenspannung von der Drehfrequenz 3.6. Abhängigkeit der Klemmenspannung von der Windungszahl 3.7. Erzeugung eines Einphasen Wechselstromes 3.8. Dreiphasenaußenpolgenerator 3.9. Gesamtspannung des Drehstromgenerators 4. ABSCHLIESSENDE BEMERKUNGEN Seite 16 erstellt am :00 Seite 2

3 1. Grundsätzliches 1. GRUNDSÄTZLICHES 1.1. Elektromagnetische Induktion Grundlage jeglicher elektrischen Maschine, egal ob Generator oder Motor, ist die elektromagnetische Induktion, die 1831 von Michael FARADAY entdeckt wurde. Die Induktion kann vereinfacht wie folgt zusammengefasst werden: Wird in einem Magnetfeld eine Leiterschleife bewegt, so wird eine Spannung induziert. Die induzierte Spannung U ind ist abhängig von der Zahl der Leiterschleifen, der Stärke des Magnetfelds und der relativen Geschwindigkeit der Leiterschleifen im Magnetfeld. Auffällig ist allerdings, dass nur dann eine Spannung induziert wird, wenn die Leiterschleifen bewegt werden. Umgekehrt wird aber ebenfalls eine Spannung induziert, wenn das Magnetfeld geändert wird. Für die Unterstufe ist dies bereits vollkommend ausreichend. In der Oberstufe können und sollen auch die tatsächlichen Gesetzmäßigkeiten behandelt werden. Zunächst muss der magnetische Fluss eingeführt werden. Unter magnetischem Fluss versteht man das Skalaprodukt aus magnetischer Induktion B und durchdrungener Fläche A. 1 Φ = B*A Die tatsächliche induzierte Spannung ist dann lediglich die negative zeitliche Ableitung des dφ magnetischen Flusses, also U ind =. dt 1 Es darf aber nur die auf den Feldvektor B normal stehende Fläche betrachtet werden erstellt am :00 Seite 3

4 1. Grundsätzliches 1.2. Der Generator Grundlagen Der Generator, und natürlich auch der Elektromotor, nutzen genau diese Tatsache aus. Beim Generator wird eine Spule in einem Magnetfeld bewegt, oder umgekehrt ein Magnet zwischen mehreren Spulen. Es wird also mechanische Energie in elektrische umgewandelt. Nun ist ein Generator aber nicht nur eine einfache Leiterschleife bzw. eine Spule, die zwischen zwei magnetischen Polschuhen rotiert. Zunächst muss man zwischen Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstromgeneratoren unterscheiden. Wie der Name schon sagt, wird der Gleichstromgenerator zur Gewinnung von Gleichstrom verwendet und umgekehrt. Man kann Generatoren aber auch nach der Position des Magneten einteilen, in Innenpol und Außenpolgeneratoren. An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass nur bei kleineren Generatoren echte Magnete verwendet werden. In industriell verwendeten Generatoren, werden fast ausschließlich Innenpolmaschinen mit Elektromagneten verwendet. Der W echselstromgenerator Der Wechselstromgenerator ist die einfachste Maschine zur Energieumwandlung. Da durch die Rotation in Wechselstrom induziert wird, der von der Drehfrequenz abhängig ist, müssen keine Vorkehrung bei der Stromabnahme getroffen werden. Ein einfaches Schema des Wechselstromgenerators kann dem Schema unten entnommen werden. Es ist auch die induzierte Spannung in Abhängigkeit von der Zeit gezeigt. erstellt am :00 Seite 4

5 1. Grundsätzliches Der Gleichstromgenerator Zunächst ist der Aufbau des Gleichstromgenerators mit dem des Wechselstromgenerators vollkommen identisch. Da aber aufgrund der Rotation prinzipiell eine Wechselspannung erzeugt wird, muss eine Vorrichtung zur Transformation angebracht werden, zum Beispiel eine Gleichrichterschaltung. Es kann aber auch eine viel einfachere Methode angewandt werden. Zur Stromabnahme wird ein sogenannter Kommutator verwendet. Ein Kommutator ist ein aus zwei Halbringen bestehender Ring, der die Stromrichtung der Drehfrequenz folgend umpolt. Man erhält nun einen pulsierenden Gleichstrom. Soll nun tatsächlich direkt ein Gleichstrom gewonnen werden, so werden mehrteilige Kollektoren mit mehrteiligen Kommutatoren verwendet, man erhält einen pulsierenden Gleichstrom. Der Drehstromgenerator Da bei großtechnischen Anwendungen zumeist Drehstrom verwendet wird, sind hier auch die sogenannten Drehstromgeneratoren im Einsatz. Grund für den Einsatz von Drehstrommaschinen sind die billigere und einfachere Bauweise bei gleicher Leistung. Drehstrom setzt sich ja bekanntlich aus drei um 120 phasenverschobene Wechselströme gleicher Stärke zusammen. Beim Drehstromgenerator sind rotiert ein Elektromagnet zwischen drei jeweils um 120 verschobenen Spulen rotiert, von den die Spannung direkt abgenommen wird. Die in den österreichischen Kraftwerken verwendeten Generatoren sind fast ausschließlich Drehstromgeneratoren. erstellt am :00 Seite 5

6 2. Pädagogische Aufbereitung 2. PÄDAGOGISCHE AUFBEREITUNG 2.1. Lernziele Unterstufe: Da der Generator sowohl in der 7. als auch der 8. Schulstufe behandelt wird, ist eine genauere Betrachtung notwendig. In der 7. Schulstufe (3. Klasse) wird der Generator lediglich als Maschine zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie behandelt. Auf seine genaue Funktionsweise wird nicht eingegangen. In dieser Alterstufe scheint es besonders wichtig, den Schülern zunächst die Aufgabe eines Generators nahe zu bringen und sie besonders auf die Tatsache zu verweisen, dass elektrische Energie nicht erzeugt werden kann. Sondern Energieformen nur ineinander umgewandelt werden können. In der 8. Schulstufe (4. Klasse) hingegen, stehen sowohl die Wirkungsweise als auch der Aufbau eines Generators und seine Verwendung am Lehrplan. Da allerdings das Wissen über Magnetfeld und deren tieferer Natur noch sehr begrenz ist, scheint es besonders wichtig, geeignete Zugänge zu verwenden. Eine Erklärung über die Maxwellschen Gleichungen wäre völlig fehl am Platz. Vielmehr sollte über einfache Induktionsversuche die Funktionsweise erklärt werden. Am Ende dieses Unterrichtkaptitels sollten die Schüler die physikalische Grundlage des Generators, sowie seine Funktionsweise selbst erklären können und die Grundlagen der Induktion verstanden haben. Auch die Parallelen zwischen Motor und Generator sollten bekannt sein. Oberstufe: Es sollten die aus der Unterstufe bekannten Sachverhalte wiederholt und vertieft werden. Vor allem die Induktion sollte besonders wiederholt werden und vertieft werden. Da in der 11. Schulstufe (7. Klasse) auch die mathematischen Fertigkeiten weiter fortgeschritten sind, ist dies auch auf physikalisch korrektem Weg möglich. Auch der Aufbau des Generators und verschiedene Generatortypen (Drehstromgenerator) sollten besprochen werden. Im Großen und Ganzen werden aber zum Thema Generator die aus der Unterstufe bereits bekannten Sachverhalte nur wiederholt, wenn gleich auch die Induktion um ein Vielfaches genauer besprochen wird. erstellt am :00 Seite 6

7 3. DURCHGEFÜHRTE VERSUCHE 3.1. Grundversuch zur Induktion Als einfachster und schnellster Versuch zur Veranschaulichung der Induktion wird ein Magnet in das innere einer Spule eingeführt. Der Versuchsaufbau ist denkbar einfach. An eine Spule mit etwa 250 Windungen wird ein Messinstrument angeschlossen. Fast noch einfacher als der Versuchsaufbau ist die Versuchsdurchführung. Ein geeigneter Magnet, zum Beispiel ein Stabmagnet, wird innerhalb der Spule hin und herbewegt. Je nach Polung des Magnetfeld und Geschwindigkeit der Bewegung ist am Messinstrument ein Strom bzw. eine Spannung abzulesen. Bemerkungen: Dieser Versuch ist wohl eindeutig in de Kategorie no problems at all einzuordnen, oder wie es im Computerjargon so schön heißt plug an play. erstellt am :00 Seite 7

8 3.2. Wechselstromerzeugung Auch dieser Aufbau ist sehr einfach, nachdem man sich mit den einzelnen Komponenten des Baukastens vertraut gemacht hat (siehe abschließende Bemerkungen). Der Generator wird wie im Schema gezeigt bzw. der Anleitung beschrieben aufgebaut, das Amperemeter angeschlossen. Zunächst wird am Amperemeter ein Messbereich von 0,03A Gleichstrom eingestellt und der Strom in Abhängigkeit der Rotorstellung beobachtet. Es zeigt sich, dass bei Drehungen um 90 bzw. 270 der Strom ein Maximum erreicht und bei 0 bzw. 180 auf 0 absinkt. Die Stromrichtung wechselt dabei bei einer Umdrehung von 360 seine Richtung zwei mal. Im zweiten Schritt, wird der Rotor nun mit höherer Geschwindigkeit angetrieben, der Messbereich auf 1,5 A Wechselstrom umgeschalten. Am Amperemeter ist nun bei konstanter Drehgeschwindigkeit ein konstanter Wechselstrom messbar. Bemerkungen: Zu Beginn des Versuchs ist darauf zu achten, dass der Rotor nur sehr langsam gedreht wird, da sonst die Anzeige am Amperemeter viel zu schnell wechselt und man nichts beobachten kann. erstellt am :00 Seite 8

9 3.3. Gleichrichtung durch den Kollektor Der Versuchsaufbau kann vollkommen identisch zum vorigen Versuch übernommen werden, einziger Unterschied ist, dass die Spannung nicht an den beiden Schleifringen abgenommen wird, sondern am Kollektor. Auch die Versuchsdurchführung geht analog zum vorigen Versuch vonstatten. Nur das diesmal eben Gleichstrom gewonnen wird. Ansonsten gibt es bei der Durchführung keine größeren Schwierigkeiten. Bemerkung: An diesem Versuch kann zwar die Wirkung des Kollektors demonstriert werden, meiner Meinung nach eignet sich der folgende Versuch allerdings noch besser, da mit Hilfe des Oszilloskop die Gleich und Wechselspannungen sehr schön sichtbar gemacht werden können. Beim Aufbau dieses und des vorigen Versuchs ist besonders auf die Polung der Magneten an den Polschuhen zu achten. Diese müssen genau umgekehrt gepolt werden. Ist zum Beispiel am oberen Polschuh der Nordpol außen, muss am unteren Polschuh der Südpol außen sein. erstellt am :00 Seite 9

10 3.4. Spannungskurven bei Gleich und Wechselstromgeneratoren Der Versuchsaufbau wird der Versuchsanleitung folgend aufgebaut, das Oszi gemäß der Betreibanleitung angeschlossen. Zum Antrieb des Generators kann ein Elektromotor verwendet werden, bei etwas Fingerspitzengefühl kann aber der Generator auch mit der Handkurbel betrieben werden. Zunächst wird die Spannung an den Schleiringen abgenommen und am Oszi angezeigt, darauf folgend wird sie am Kollektor abgenommen und wieder angezeigt, anschließend wird die Polung vertauscht und ebenfalls wird angezeigt. Versuchsergebnis: Am Oszi sind die bekannten Sinuskurven des Wechselstrom beziehungsweise eines pulsierenden Gleichstroms zu sehen. erstellt am :00 Seite 10

11 3.5. Abhängigkeit der Klemmenspannung von der Drehfrequenz Obwohl wir den Versuch nicht durchführten, da kein Metronom zur Verfügung stand, scheint es sinnvoll allgemeine Anmerkungen zu diesem Versuch zu geben. Der Versuchsaufbau wird der umfassenden Anleitung folgenden vorgenommen und birgt keine Probleme. Dem Takt des Metronoms folgenden, wird der Rotor in eine konstante Rotationsbewegung versetzt und die Spannung in Abhängigkeit der Drehfrequenz gemessen. Versuchsergebnis: Je größer die Drehfrequenz des Rotors ist, desto größer ist die an den Klemmen abgenommen Spannung. Bemerkung: Anstelle eines Betriebs von Hand mit Metronom zur Taktvorgabe, könnte ein regelbarer Motor mit Drehzahlmesser verwendet werden. erstellt am :00 Seite 11

12 3.6. Abhängigkeit der Klemmenspannung von der Windungszahl Da auch zu diesem Versuch ein Metronom notwendig ist, konnten wir auch hier nur rein qualitative Betrachtungen anstellen. Der Versuchsaufbau erfolgt wieder der Anleitung nach und stellt keiner Probleme dar. Zunächst wird bei konstanter Drehfrequenz die Klemmenspannung bei Verwendung des Zweipolrotors gemessen, der 760 Windungen hat. Anschließend wird der Zweipolrotor durch den Dreipolrotor mit 1020 Windungen ersetzt und wiederum die Klemmenspannung gemessen. Versuchsergebnis: Je mehr Windungen der Rotor aufweist, desto größer ist die Klemmenspannung. Bemerkung: Um aussagekräftige Resultate zu erhalten, ist es bei diesem und dem vorangegangen wichtig, die Drehfrequenz konstant zu halten bzw. exakt regeln zu können. Die Verwendung eines regelbaren Motors mit Drehzahlmesser scheint deshalb als überaus sinnvoll. erstellt am :00 Seite 12

13 3.7. Erzeugung eines Einphasen Wechselstromes In den letzten drei Versuchen werden die Generatoren zur Erzeugung von Wechselströmen näher unter die Lupe genommen. Der Versuchsaufbau erfolgt wieder der Anleitung nach und stellt keiner Probleme dar. Der Generator wird als Innenpolmaschine aufgebaut. An den Spulen des Rotors wird eine Spannung von etwa 2 bis 4 Volt angelegt. Die an den Polschuhspulen induzierte Spannung wird abgenommen und der Strom am Amperemeter gemessen. Der Rotor wird über die Handkurbel in Rotation versetzt, die Spannung an den Schleifringen abgegeben. Bei langsamen Drehen des Rotors können mit dem Amperemeter im 0,03 A Gleichstrombereich die einzelnen Spannungsstöße sichtbar gemacht werden. Anschließend wird der Messbereich auf Wechselspannung und 3 A ungestellt und die Drehfrequenz erhöht. Es kann eine konstante Wechselspannung nachgewiesen werden. erstellt am :00 Seite 13

14 3.8. Dreiphasenaußenpolgenerator Der Versuchsaufbau erfolgt wieder der Anleitung nach und stellt keiner Probleme dar. Der Rotor wird über die Handkurbel in eine langsame Drehbewegung versetzt. Die Amperemeter werden auf den 0,001 A Messbereich eingestellt. Betrachtet man nun die drei Anzeigen, so kann man klar eine Phasenverschiebung feststellen. Bei näherer Betrachtung wird man feststellen, dass die Phasenverschiebung genau 120 beträgt und somit genau dem Winkel zwischen den Rotorspulen beträgt. Schaltet man die Messgeräte auf Wechselspannung um und erhöht die Drehfrequenz, so kann an jedem Messinstrument eine konstante Wechselspannung gemessen werden. Bemerkungen: Obwohl der Versuch in der Durchführung sehr einfach ist und auch so keine größeren Probleme birgt, stellt das gleichzeitige Betrachten der drei Messinstrumente selbst für geübte Augen ein Problem dar. Abhilfe könnte vielleicht der Physikcomputer schaffen. erstellt am :00 Seite 14

15 3.9. Gesamtspannung des Drehstromgenerators Der Versuchsaufbau erfolgt wieder der Anleitung nach. Bei der konkreten Verkabelung ist aber besondere Aufmerksamkeit angebracht. Zunächst wird die Schaltung aufgebaut und der Rotor mit der Handkurbel in eine gleichmäßige Drehbewegung versetzt. Anschließend werden nun beide Schalter geschlossen. Versuchsergebnis: Sind alle Schalter geschlossen, kann am Voltmeter keine Spannung mehr abgelesen werden. Da die drei Phasen genau 120 phasenverschoben sind, heben sich die drei Phasen genau auf. Bemerkung: Obwohl der Versuch in der Durchführung einfach ist und das Ergebnis sehr schön nachzuvollziehen ist, stellt die Schaltung ein Problem dar. Aufgrund der vielen Kabel und Spulen ist die konkrete Schaltung am Gerät selbst nur sehr schwer zu verstehen. Wird der Versuch gezeigt, ist es ratsam die Schaltung anhand eines Schaltplans vorher den Schülern zu erklären. erstellt am :00 Seite 15

16 4. ABSCHLIESSENDE BEMERKUNGEN Von den Versuchen mit Leybold Gerätesatz Elektrolehrmaschinen war ich sehr beeindruckt. Obwohl wir anfangs mit größeren Schwierigkeit zu kämpfen hatten (keine Magnete an den Polschuhen, verdreckte Bürsten, ) gingen die Versuche dann doch recht rasch von der Hand. Wie so oft ist es ratsam sich zunächst mit den einzelnen Bauteilen vertraut zu machen und bevor mit den tatsächlichen Versuchen begonnen wird, eine Generalüberholung der heiklen Bauteile (Bürsten abschleifen, Schleifringe säubern, Lagerbuchsen des Rotors ölen, ) durchzuführen. Die Versuchsanordnungen selbst sind sehr instruktiv formuliert und helfen bei der Durchführung der Versuche enorm. Einzig und allein die Bezeichnungen der einzelnen Bauteile bedürfen etwas an Gewöhnung. Da die Maschinen selbst nur aus sehr wenigen Teilen bestehen und einfach und rasch aufgebaut werden können, verlieren die Schüler nicht den Überblick über den Aufbau und können die Geschehnisse während des Versuchs leicht nachvollziehen. Diese Tatsache zeichnet des Baukasten ganz besonders aus. erstellt am :00 Seite 16