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:

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

Abbildung 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.