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Generator Physik

Generator Physik

Vielleicht kennst Du die folgende Situation aus Deiner Erfahrung oder aus Filmen und Serien: Eine abgelegene Hütte soll mit Strom versorgt werden. Das Problem ist aber, dass es keine Anbindung an das Stromnetz gibt. Dafür wird dann häufig ein Generator verwendet, der mit einem raschen Ziehen am Zugkabel gestartet wird. Unter meist lauten Motorgeräuschen liefert der Generator nun Strom. Was aber ist ein Generator und wie funktioniert dieser?

Generator Physik – Definition

Laut dem „großen Lexikon“ bedeutet „generieren“, etwas (automatisch) erzeugen, hervorbringen.1

Für das Substantiv „Generator“ kannst Du somit Folgendes festlegen:

Ein Generator erzeugt aus einer Eingabe bzw. einer Energie automatisch eine gewisse Ausgabe bzw. Energie. Das Resultat unterscheidet sich dabei vom Anfangszustand.

Das ist eine breit gefächerte Bedeutung, die sehr viel Spielraum für verschiedene Arten von Generatoren zulässt.

Generator Arten

Eine Art von Generatoren benutzt Du vermutlich täglich: Teile der Software (Programmierung) Deines Smartphones.

Tippst Du eine Nachricht, drückst Du mit Deinen Fingern auf die jeweiligen Stellen Deines Touchscreens. Die Software Deines Smartphones liest die gedrückten Stellen aus und wandelt diese Information in Buchstaben und somit in die eigentliche Nachricht um.

Du könntest also sagen, dass Dein Smartphone automatisch aus Deinen Eingaben am Touchscreen eine Textnachricht generiert.

Im Alltag nennt aber fast keine Person eine solche Funktion einen Generator.

Elektrischer Generator Definition

Oftmals ist mit „Generator“ ein technischer – genau gesagt elektrischer – Generator gemeint.

Ein elektrischer (technischer) Generator ist ein Generator, der aus mechanischer Energie elektrische Energie erzeugt.

Die mechanische Energie lässt sich in weitere Unterformen einteilen, über die Du mehr in der Erklärung Mechanische Energie erfährst.

Aufgrund der Erzeugung elektrischer Energie wird der Generator also elektrischer Generator genannt. Hast Du einen Generator vorliegen, der etwa aus Deiner gesprochenen Sprache einen Text erzeugt („speech-to-text“), kannst Du ihn Textgenerator nennen. Diese Funktion kannst Du sogar mit einem modernen Smartphone ausprobieren.

In der Physik – und auch im Alltag – wird mit „Generator“ jedoch der elektrische Generator gemeint. Stellt sich die Frage: wie ist dieser aufgebaut und wie genau funktioniert er?

Generator Physik – elektrischer Generator: Aufbau und Funktion

Ein elektrischer Generator besteht (verallgemeinert) aus einer drehbar gelagerten Spule, auch Rotor genannt, und einem Magneten, auch Stator genannt.

Der Rotor ist elektrisch und fest mit dem sogenannten Kommutator verbunden. Jeweils eine Seite der Spule ist an einer Seite des Kommutators befestigt. Die Seiten des Kommutators sind durch ein nicht leitfähiges Material (Isolator) getrennt. An die Seiten des Kommutators werden Bürsten gedrückt, die eine elektrische Verbindung zu den Anschlussklemmen bilden.

Der Stator erzeugt ein Magnetfeld auf der Fläche, in der sich der Rotor drehen kann. Durch eine Rotation, meist hervorgerufen durch einen Motor, dreht sich der Rotor nun im Magnetfeld.

Beim Rotor handelt es sich aber um eine Spule. Aufgrund der Bewegung wird das die Spule durchdringende Magnetfeld ständig verändert und somit eine elektrische Spannung in der Spule induziert.

Warum es zur Induktion kommt und wie das eigentlich funktioniert, erfährst Du in der Erklärung Elektromagnetische Induktion und deren untergeordneten Erklärungen.

Die erzeugte Spannung wird auch an den Kommutator geleitet. Am Kommutator herrscht, wenn Du die gesamte Rotation betrachtest, eine Wechselspannung. Durch die Rotation der Spule rotiert sozusagen auch die Spannung, weil sich die Ausrichtung der Spule zum Magnetfeld kreisförmig verändert.

Die Bürsten sind allerdings nicht fest mit dem Kommutator verbunden, sondern bleiben an ihrer Position und der Kommutator rotiert unter ihnen weiter. Nach einer halben Umdrehung wechseln die Bürsten somit die Seite der Spule, mit der sie verbunden sind. Gleichzeitig wechselt auch die Polung innerhalb der Spule.

Die Bürsten sind somit immer mit dem gleichen elektrischen Pol der Spule verbunden. Es resultiert eine Gleichspannung zwischen den Klemmen, die dann genutzt werden kann.

Je nach Anwendung können die Bürsten anders angeordnet sein oder es gibt mehr Bürsten und verschiedene Rotorarme. Dadurch kann auch die entnommene Spannung eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung ergeben.

Dieses Grundprinzip des elektrischen Generators könntest Du auch umkehren, indem Du eine Gleichspannung an die Klemmen anlegst. Dadurch erzeugst Du einen Stromfluss durch die Spule, die somit selbst magnetisch wird und anfängt, sich aufgrund der magnetischen Wirkungen zu drehen. Mehr dazu in der Erklärung Elektromotor.

Der Grund, warum elektrische Generatoren eingesetzt werden, ist – ungeachtet der Bauweise – immer der gleiche: eine Energieumwandlung.

Generator Physik –

Elektrischer

Energieumwandlung

Die grundsätzliche Funktion eines elektrischen Generators ist die Umwandlung einer (Rotations-) Bewegung in einen elektrischen Strom. Für die Energieumwandlung bedeutet das:

Ein elektrischer Generator wird durch eine mechanische Energie angetrieben und wandelt diese in eine elektrische Energie um.

Der Grund für diese Umwandlung und gleichzeitig auch für den Nutzen eines elektrischen Generators ist, dass elektrische Energie meist einfacher und effizienter verwendet und weitergeleitet werden kann, als mechanische Energie.

Im Alltag wird der Begriff „Generator“ tatsächlich physikalisch nicht genau verwendet. Oftmals ist der eigentliche Generator mit einem Verbrennungsmotor verbunden. Das als „Generator“ bezeichnete Gerät ist also oft ein Motor verbunden mit dem Generator, den er antreibt.

Der Motor ist übrigens auch der Grund, warum ein Generator im alltäglichen Gebrauch laute Geräusche von sich gibt. Wenn ein „Generator“ gestartet wird, wird eigentlich der Motor gestartet. Der wirkliche Generator-Teil wird davon angetrieben und ist sehr leise.

Hast Du also eine Generator-Motor-Kombination vorliegen, sieht es mit der Energieumwandlung etwas anders aus:

Der Motor wandelt zunächst die chemische Energie des Treibstoffs in mechanische Energie um. Mithilfe der mechanischen Energie wird der Generator angetrieben, der dann die mechanische in elektrische Energie umwandelt.

Der elektrische Generator wird somit fast überall angewandt, wo eine elektrische Energie benötigt wird, die Energie an sich aber vom Treibstoff eines Motors oder aus einer mechanischen Quelle stammt.

Generator Physik – elektrischer Generator: Anwendung

Überlege Dir, welche Geräte zwar durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden, aber trotzdem auch einen Teil elektrische Energie bereitstellen. Ein Beispiel dafür wäre die sogenannte Lichtmaschine im Auto.

Lichtmaschine

Der Begriff „Lichtmaschine“ mag vielleicht etwas magisch klingen. Die zugrundeliegende Funktionsweise gleicht aber der eines elektrischen Generators.

Der Motor eines Autos stellt zunächst mechanische Energie bereit, indem er – vereinfacht ausgedrückt – die sogenannte Kurbelwelle antreibt, die sich daraufhin dreht und die Räder in Bewegung versetzt. Diese Bewegung wird von der Lichtmaschine genutzt, um mithilfe des Generatorprinzips elektrische Energie bereitzustellen und die Batterie aufzuladen.

Die Lichtmaschine ist somit der Grund dafür, dass die Autobatterie auch nach Tausenden von gefahrenen Kilometern und vielen Stunden nicht leer ist. Außer, das Licht ist zu lange an, während der Motor aus ist. Sie speist auch den Rest der Elektronik des Autos mit Energie.

Einen weiteren Generator, der zur Erzeugung von Licht elektrische Energie generiert, hast Du vielleicht schon selbst verwendet.

Dynamo (Fahrradbeleuchtung)

Ein Fahrrad-Dynamo erzeugt bei der Fahrt elektrische Energie, um die Fahrradlampe zum Leuchten zu bringen. Je nachdem, wie schnell Du fährst, leuchtet auch die Lampe stärker, je schneller Du bist. Bleibst Du stehen, erlischt auch die Lampe.

Generator Physik Anwendung Fahrrad Dynamo StudySmarterAbbildung 3: Fahrrad-Dynamo

Der Dynamo nutzt die mechanische Energie des Reifens, um ein Rädchen anzutreiben. Innerhalb des Dynamos wird die mechanische Energie mithilfe des Generatorprinzips in elektrische Energie für die Lampe umgewandelt.

Generatoren werden aber nicht nur genutzt, um die elektrische Energie direkt zu verwenden, sondern auch, um diese allgemein bereitzustellen.

Generatoren in Kraftwerken

Die meisten Kraftwerke nutzen Generatoren, um eine mechanische Energie in die einfacher zu handhabende elektrische Energie umzuwandeln.

Bei Windkraftanlagen kannst Du das genau beobachten. Das Windrad wird durch Wind angetrieben und in eine Drehbewegung versetzt. Im oberen Teil befindet sich ein Generator, der die Drehbewegung in eine elektrische Energie wandelt und in das Stromnetz einspeist oder anderweitig speichert.

Das Gleiche gilt für Turbinen, wie sie etwa bei Wasser- oder Wärmekraftwerken Anwendung finden.

Du siehst, ob altmodisch oder modern, ob in riesigen Anlagen oder im kleinen Dynamo: das Prinzip des Generators, eine mechanische Drehbewegung über die Elektromagnetische Induktion in eine elektrische Energiequelle zu wandeln, findest Du in vielen Bereichen.

Generator Physik – Das Wichtigste

  • Ein Generator wandelt eine Eingabe / Energie in eine Ausgabe / Energie anderer Form um.
  • Der elektrische Generator nutzt die elektromagnetische Induktion, um die mechanische Energie einer Drehbewegung in eine elektrische Energie zu wandeln.
  • Aufgebaut ist der elektrische Generator aus einem Stator (Magnet) und einem Rotor (Spule). Durch einen Antrieb wird der Rotor in eine Kreisbewegung versetzt. In der drehenden Spule wird eine Spannung induziert. Die Spannung wird über den Kommutator und die Bürsten an Anschlussklemmen geleitet und kann dort verwendet werden.
  • Im Alltag bezeichnet der Begriff „Generator“ oft ein Gerät, das zusätzlich zum eigentlichen Generator noch einen Motor enthält, der den Generator antreibt.
  • Anwendungen des elektrischen Generators sind etwa die Lichtmaschine im Auto, der Fahrrad-Dynamo und verschiedene Kraftwerke.

Nachweise

  1. Wissen.de: Rechtschreibung, generieren. (01.09.2022)
  2. Abbildung 3: Image by Daniel Kirsch from Pixabay https://pixabay.com/photos/dynamo-bosch-to-forget-old-4338053/
  3. Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Elektrische und magnetische Felder. iee.et.tu-dresden.de (18.05.2015)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Generator Physik

Eine mechanische Energie bringt eine Spule zum Drehen. Die Spule befindet sich in einem Magnetfeld. In der Spule wird dabei eine Spannung induziert, die dann genutzt wird.

Ein elektrischer Generator ist ein Gerät, das mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Beim elektrischen Generator dreht sich eine Spule in einem Magnetfeld. Damit ändert sich ständig das Magnetfeld, das die Spule durchdringt. Es kommt zur Induktion einer Spannung, die genutzt wird.

Es gibt unzählige Arten von Generatoren. Die häufigste Art ist der elektrische Generator. Er wiederum hat auch mehrere Arten, je nach benötigter Art der Spannung. Es wird grob zwischen Gleich- und Wechselstromgeneratoren unterschieden.

Finales Generator Physik Quiz

Frage

Erkläre, was Generator allgemein bedeutet.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Generator wandelt eine Eingabe automatisch in eine Ausgabe um, die sich von der Eingabe unterscheidet.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Besonderheit eines technischen Generators gegenüber einem allgemeinen Generator.

Antwort anzeigen

Antwort

Generator allgemein bezieht sich auf die Funktion einer Umwandlung.
Der technische Generator hingegen ist ein Gerät, der eine Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie durchführt.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe grob den allgemeinen Aufbau eines technischen Generators.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine drehbar gelagerte Spule (Rotor) befindet sich im Magnetfeld eines (oftmals) Dauermagneten (Stator). Jeweils eine Seite der Spule (Rotor) ist mit einer Seite des Kommutators verbunden, an dem sich Bürsten befinden, die eine elektrische Verbindung zu den Anschlussklemmen bilden.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre grob das Generatorprinzip (Funktionsweise eines technischen Generators).

Antwort anzeigen

Antwort

Durch eine mechanische Energie wird eine Spule (Rotor) in einem Magnetfeld gedreht. Dabei ändert sich ständig das Magnetfeld in der Spule. Es kommt zur elektromagnetischen Induktion. Dadurch wird in der Spule eine Spannung induziert. Die mechanische Energie der Rotation wurde somit in eine elektrische Energie umgewandelt.

Frage anzeigen

Frage

Im Alltag werden Geräte Generatoren genannt, die rein physikalisch nicht nur aus einem technischen Generator bestehen.
Wähle aus, welches Gerät ein Generator im Alltag beinhaltet.

Antwort anzeigen

Antwort

Motor

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, in welchen der folgenden Fälle es sich um einen Generator handelt.

Antwort anzeigen

Antwort

Du tippst auf dem Touchscreen Deines Smartphones und auf dem Bildschirm erscheinen Buchstaben.

Frage anzeigen

Frage

Nenne mindestens eine Anwendung eines technischen Generators.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Lichtmaschine im Auto
  • Dynamo am Fahrrad
  • Windkraftanlage
  • Turbine im Kraftwerk

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Energie, in die die anfängliche mechanische Energie beim technischen Generator umgewandelt wird.

Antwort anzeigen

Antwort

elektrische Energie

Frage anzeigen

Frage

Erörtere, inwiefern die folgende Aussage stimmt:
„Drehst Du das Generatorprinzip um, hast Du einen Elektromotor.“

Antwort anzeigen

Antwort

Diese Aussage ist grundsätzlich wahr.
Du kannst eine drehbar gelagerte Spule antreiben, indem Du sie wieder in ein Magnetfeld bringst. Anschließend kannst Du die Spule mit einem Wechselstrom versorgen, wodurch sie selbst zu einem wechselnden Magneten wird. Da sie sich in einem starren Magnetfeld befindet, kann dadurch eine Drehbewegung entstehen. Die elektrische Energie wandelst Du somit in die Rotation (mechanische Energie) um und hast einen Elektromotor vorliegen.

Frage anzeigen

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