Elektrischer Generator

Ein elektrischer Generator wandelt mechanische Bewegung in elektrischen Strom um, indem er einen Magneten und eine Drahtspule aneinander vorbeibewegt. Michael Faraday entdeckte das Prinzip 1831, und fast der gesamte heute verbrauchte Strom stammt noch immer aus Maschinen, die darauf beruhen.

Was es ist

Ein Generator wandelt mechanische Arbeit, etwa von einer Handkurbel, einem Wasserrad, einer Dampfmaschine oder einer Turbine, in elektrischen Strom um. Dazu braucht er einen Magneten, eine Spule aus Kupferdraht und eine Vorrichtung, die das eine am anderen vorbeibewegt.

Batterien sind teuer und erschöpfen sich; Generatoren erzeugten Strom in großen Mengen aus Kohle oder fallendem Wasser. Kraftwerke, Lichtmaschinen im Auto, Fahrraddynamos und Windkraftanlagen arbeiten alle nach diesem Prinzip.

Wie es funktioniert

Faradays Induktionsring: Die Nadel schlug nur in dem Augenblick aus, in dem die Batterie angeschlossen oder abgetrennt wurde.

Das Prinzip heißt elektromagnetische Induktion. Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Spule (also wie viel Feld sie durchsetzt), entsteht zwischen ihren Enden eine Spannung. Bleibt der Fluss gleich, entsteht keine Spannung. Je schneller sich der Fluss ändert und je mehr Windungen die Spule hat, desto höher ist die Spannung.

Bei der Maschine auf der Tafel, die Hippolyte Pixii 1832 baute, dreht eine Kurbel über ein Paar Kegelräder eine senkrechte Welle. Die Welle trägt einen dauermagnetischen Hufeisenmagneten, dessen Pole dicht unter zwei feststehenden Spulen auf Eisenkernen vorbeistreichen. Kommt ein Nordpol unter eine Spule, wächst der Fluss durch sie, und der Strom fließt in eine Richtung. Entfernt sich der Pol, nimmt der Fluss ab, und der Strom kehrt sich um. Der Südpol wiederholt dann den Ablauf mit umgekehrtem Feld, die Maschine allein erzeugt also Wechselstrom.

Pixii fügte auf Anregung von André-Marie Ampère einen Kommutator hinzu: einen Schalter auf der Welle, der die beiden Ausgangsanschlüsse bei jeder halben Umdrehung vertauscht, genau dann, wenn der Strom seine Richtung wechselt. So entsteht ein pulsierender Gleichstrom, mit dem man Batterien laden oder Wasser zerlegen kann.

Faradays Scheibe von 1831 lieferte einen schwachen, aber stetigen Gleichstrom.

Sobald Strom fließt, werden die Spulen selbst zu Magneten und bremsen die Bewegung. Deshalb geht die Kurbel schwerer, wenn eine Lampe angeschlossen ist. Die abgegebene elektrische Energie entspricht der Arbeit, die Hand oder Maschine hineinstecken, abzüglich der Verluste durch Reibung und Wärme.

Dauermagnete waren im 19. Jahrhundert schwach, deshalb verwendeten große Maschinen Elektromagnete. In einer selbsterregten Dynamomaschine speist ein Teil des eigenen Stroms diese Magnete. Der schwache Restmagnetismus im Eisen erzeugt einen kleinen Strom, der das Feld verstärkt, das wiederum den Strom erhöht, bis sich die Spannung auf einem Wert einpendelt, den die Drehzahl und die Sättigung des Eisens bestimmen. Ein moderner Kraftwerksgenerator dreht einen Elektromagneten in feststehenden Wicklungen; mit zwei Polen läuft er bei 50 Hertz mit 3.000 Umdrehungen pro Minute, bei 60 Hertz mit 3.600.

Wie man ihn baut

Eine kleine handgekurbelte Wechselstrommaschine kann eine LED oder ein Taschenlampenbirnchen zum Leuchten bringen.

Den Läufer bauen. Eine Scheibe aus Sperrholz oder Hartholz mit etwa 15 cm Durchmesser zuschneiden. Acht flache Scheibenmagnete (Ferrit oder Neodym) gleichmäßig verteilt nahe am Rand auf eine Seite kleben, sodass die nach außen weisenden Flächen abwechselnd Nord, Süd, Nord, Süd zeigen. Mit Schnur umwickeln, denn ein loser Magnet fliegt bei hoher Drehzahl davon.

Die Spulen wickeln. Acht flache Spulen aus Kupferlackdraht von 0,3 bis 0,5 mm Stärke wickeln, jede mit einigen hundert Windungen und alle im selben Drehsinn, auf einen Wickelkörper etwa von der Größe eines Magneten.

Den Ständer montieren. Die Spulen auf einem Brett parallel zum Läufer befestigen, jede gegenüber einem Magneten, mit einem Abstand von wenigen Millimetern. Benachbarte Spulen stehen immer entgegengesetzten Polen gegenüber, deshalb in Reihe schalten und dabei jede zweite Spule umgekehrt anschließen; dann addieren sich ihre Spannungen.

Übersetzen. Ein Riemen von einer großen Riemenscheibe an der Kurbel zu einer kleinen auf der Läuferwelle erhöht die Drehzahl auf das Vier- bis Fünffache.

Gleichrichten und prüfen. Die Maschine liefert Wechselstrom. Vier Dioden in Brückenschaltung machen daraus pulsierenden Gleichstrom. Eine LED über einen Widerstand von 1 Kiloohm und 0,5 Watt an die Brücke anschließen; er hält den Strom unter etwa 20 Milliampere, solange die Ausgangsspannung unter etwa 20 Volt bleibt. Vor kräftigem Kurbeln die Spannung mit einem Messgerät prüfen. Zum Laden eines Akkus braucht man einen passenden Laderegler für dessen Typ, Dioden allein genügen nicht.

Ohne gekaufte Magnete kann man Stahlstäbe in einer Spule magnetisieren, die einige Sekunden lang von einer Batterie gespeist wird, mit einer Autoglühlampe in Reihe, die den Strom begrenzt. Eine selbsterregte Dynamomaschine braucht, einmal durch den Restmagnetismus in Gang gesetzt, überhaupt keinen Dauermagneten.

Sicherheit. Drehende Teile erfassen Finger, Haare und lose Kleidung: Riemen und Läufer abdecken. Neodym-Magnete schnappen so heftig zusammen, dass sie die Haut einklemmen und zersplittern können; von Herzschrittmachern fernhalten. Die Spannung steigt mit der Drehzahl, und größere Maschinen erreichen gefährliche Werte. Einen selbst gebauten oder tragbaren Generator nie an die Hausinstallation oder an das Stromnetz anschließen: Strom, der ins Netz zurückfließt, kann Arbeiter an den Leitungen töten. Eine solche Verbindung darf nur eine Elektrofachkraft mit einem vorschriftsmäßigen Umschalter herstellen.

Geschichte und Entwicklung

1820 zeigte Hans Christian Ørsted, dass ein elektrischer Strom eine Kompassnadel ablenkt. Michael Faraday schloss daraus, dass umgekehrt auch Magnetismus Elektrizität erzeugen müsste. Am 29. August 1831 wickelte er an der Royal Institution in London zwei Spulen auf einen Eisenring und sah, wie die Nadel eines Galvanometers jedes Mal ausschlug, wenn er an der anderen Spule eine Batterie anschloss oder abtrennte. Im Herbst desselben Jahres ließ er eine Kupferscheibe zwischen den Polen eines Magneten rotieren und gewann daraus einen stetigen Strom. Am 24. November 1831 legte er seine Ergebnisse der Royal Society vor.

Innerhalb eines Jahres baute Pixii, ein Pariser Instrumentenbauer, die handgekurbelte Maschine auf der Tafel. 1866 und 1867 stellten Samuel Alfred Varley, Werner Siemens und Charles Wheatstone unabhängig voneinander die selbsterregte Dynamomaschine vor, und Siemens gab dem dynamoelektrischen Prinzip seinen Namen. Um 1870 baute Zénobe Gramme einen Ringanker, der einen gleichmäßigen Strom lieferte.

Der Gramme-Ring verteilte die Wicklung rund um den Anker, sodass der Strom kaum noch pulsierte.

Am 4. September 1882 begann Thomas Edisons Pearl Street Station in New York, Gleichstrom mit 110 Volt aus sechs dampfgetriebenen „Jumbo“-Dynamos zu liefern. Über weite Entfernungen setzte sich später der Wechselstrom durch, weil Transformatoren seine Spannung erhöhen können; 1891 übertrug eine Drehstromleitung Energie über 175 km von Lauffen am Neckar nach Frankfurt. Charles Parsons kuppelte 1884 einen Dynamo mit einer Dampfturbine, und seither liefern turbinengetriebene Generatoren den Strom der meisten großen Kraftwerke. 1975 ging am Grand-Coulee-Staudamm die erste von drei Einheiten mit je 600 MW in Betrieb, mit einem Ständer von 22 Metern Durchmesser.