Generator: Aufbau, Induktion und Wechselspannung

Ein Fahrradgenerator, eine Handkurbel oder eine Turbine liefern eine Drehbewegung. Im Generator bewegen sich Magnet und Spule relativ zueinander.

Der magnetische Fluss beschreibt vereinfacht, wie stark ein Magnetfeld eine Fläche durchsetzt. Er kann sich ändern, wenn sich Feldstärke, wirksame Fläche oder Orientierung der Spule zum Magnetfeld ändern.

Die Wirkungskette beginnt mit einem äußeren Antrieb. Dieser bewegt Magnet und Spule relativ zueinander. Der Fluss durch die Spule ändert sich; an ihr entsteht eine Induktionsspannung. Ist ein Verbraucher angeschlossen, fließt Strom und elektrische Energie wird abgegeben.

Der Rotor ist der drehende Teil; der Stator steht fest. Beim Innenpolgenerator dreht sich ein Magnet an feststehenden Spulen vorbei. Ist er ein Elektromagnet, kann Gleichstrom über Schleifkontakte zu ihm gelangen. Die Spannung lässt sich an den unbeweglichen Spulen abgreifen.

Beim Außenpolgenerator dreht sich die Spule im Feld eines feststehenden Magneten. Schleifringe und Bürsten greifen die Spannung an der rotierenden Spule ab. Für die Induktion zählt in beiden Bauformen die periodische Änderung des Flusses.

Bei gleichförmiger Rotation in einem homogenen Magnetfeld ändert sich die Orientierung der Leiterschleife fortlaufend. Der Fluss nimmt zu und ab und wechselt sein Vorzeichen. T ist die Dauer einer Umdrehung. Nach jeder halben Umdrehung kehrt sich die Polarität der Spannung um: Es entsteht Wechselspannung.

Im Modell einer gleichförmig rotierenden Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld ändert sich der magnetische Fluss regelmäßig. Die Induktionsspannung folgt der Geschwindigkeit dieser Änderung und verläuft sinusförmig. Sie ist null, wenn der Fluss gerade am größten oder kleinsten ist. Sie erreicht ihren größten Betrag, wenn sich der Fluss am schnellsten ändert.

Der Scheitelwert wächst in diesem Modell mit der magnetischen Flussdichte, der Schleifenfläche und der Drehgeschwindigkeit. Ein anderer Startzeitpunkt verschiebt den Verlauf; vertauschte Anschlüsse kehren sein Vorzeichen um.

Im Leerlauf ist kein Verbraucher angeschlossen. Wird eine Lampe verbunden, fließt Laststrom. Dessen magnetische Wirkung bremst die verursachende Drehbewegung. Das ist die Lenz-Regel: Die induzierte Wirkung wirkt ihrer Ursache entgegen. Zusätzliche mechanische Arbeit wird als elektrische Energie an die Lampe abgegeben.

Die rotierende Grundanordnung liefert Wechselspannung. Ein Kommutator aus zwei isolierten Halbschalen und Bürsten vertauscht nach jeder halben Umdrehung den Kontakt zur Spule. Dadurch bleibt die Polarität an den äußeren Anschlüssen gleich, obwohl der Betrag weiter schwankt: Es entsteht pulsierende Gleichspannung.

Elektronisch kann eine Diode eine Halbwelle sperren. Eine Brücke aus vier Dioden nutzt beide Halbwellen und kehrt eine um. Ein parallel zum Verbraucher geschalteter Energiespeicher kann Spannungsspitzen aufnehmen und bei sinkender Spannung Energie abgeben; so wird der Verlauf geglättet.