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Aufbau eines Dynamos

Allgemeines

Magnete können für viele technische Anwendungen verwendet werden, beispielsweise in einem Dynamo. Einfach gesagt, befinden sich in einem Dynamo Magnete, die sich um eine Spule drehen. Durch eine elektromagnetische Induktion wird elektrische Energie aus Bewegungsenergie erzeugt, was einfach gesagt, die Umkehr der magnetischen Induktion bei einem Elektromagneten ist (mit Hilfe elektrischer Energie wird eine magnetische Wirkung induziert).

Ein Dynamo (so wie wir ihn aus dem Alltag kennen) ist als ein Generator, der aus Bewegungsenergie elektrische Energie erzeugt. Dieses Prinzip der elektromagnetischen Induktion lässt sich auf Michael Faraday bis ins 19 Jhd. zurückführen.

Die elektromagnetische Induktion - Funktionsweise eines Dynamos:


Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion ist eigentlich relativ einfach, wird ein elektrischer Leiter durch ein Magnetfeld bewegt oder ein Magnetfeld über einen Leiter bewegt, so wird in dem Leiter eine elektrische Spannung induziert.

Mit Hilfe dieses Prinzips kannst du jederzeit selbst Strom erzeugen. Dazu benötigst du einen Dauermagneten und einen elektrischen Leider (ein einfacher Draht genügt), der möglichst viele schleifenförmige Windungen aufweist (wie eine Spule, durch den kreisförmigen Leiter wird der Induktionsvorgang noch verstärkt). Wenn du nun noch den elektrischen Leiter durch das Magnetfeld bewegst oder "das Magnetfeld bewegst", erzeugst du durch die Bewegung elektrische Energie, die du am Leiter durch einen Verbraucher (z.B. Glühlampe) abgreifen kannst.

Damit du nun fortlaufend elektrische Energie erzeugst, musst du für eine kontinuierliche Bewegung sorgen d.h. du musst ständig beispielsweise den Leiter durch das Magnetfeld ziehen. Hierfür würdest du viel Platz benötigen, der in einem Dynamo (z.B. Fahrraddynamo) nicht immer vorhanden ist. So hat sich das Prinzip der Drehbewegung in einem Dynamo "durchgesetzt". So lässt sich durch Rotation oder Spule oder des Magneten, kontinuierlich Strom erzeugt. Bereits jetzt sollte erwähnt werden, dass der erzeugte Strom (durch die Drehbewegung) nicht konstant ist.

Das die erzeugte Spannung nicht konstant bleibt, lässt sich relativ einfach durch die Position des Magnetfeldes und der Spule erklären. Laut dem Induktionsgesetz erzeugst du die größte Spannung, wenn sich (einfach ausgedrückt) der Magnet exakt über dem Leiter befindet. Da sich der Magnet aber bewegt bzw. dreht (er rotiert), damit Spannung erzeugt wird, befindet sich der Magnet mal exakt über dem Leiter (höchste Spannung wird erzeugt) und mal etwas weiter entfernt (dadurch wird weniger Spannung erzeugt). Daher wird bei der Drehbewegung auch keine konstante Spannung erzeugt.

Funktionsprinzip Dynamo
Wie du dir vorstellen kannst, gibt es nun zwei Möglichkeiten, einen Dynamo bzw. Generator aufzubauen:
  • Einerseits kannst du eine Spule in einem Magnetfeld drehen lassen. Die rotierenden Induktionsspulen werden durch ein fest stehendes Magnetfeld "gedreht", wobei Spannungen induziert werden (siehe Skizze oben). Diese Art von Generator wird als Außenpolgenerator bezeichnet
  • Andererseits kannst du ein Magnet zw. Magnetfeld zwischen einer oder mehrere Spulen rotieren lassen. Dabei wird durch das rotierende Magnetfeld in fest stehenden Induktionsspulen Spannungen induziert. Diese Art von Generator wird als Innenpolgenerator bezeichnet.


Aufbau eines Fahrraddynamos
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Ein Fahrraddynamo ist ein typischer Innenpolgenerator, d.h. man hat ein rotierendes Magnetfeld. Dabei wird ein Magnet auf einer Achse montiert, dass über eine Welle mit dem Laufrad verbunden ist. Im Dynamo befinden sich Spulen, die mit dem Gehäuse des Dynamos fest verbunden sind und zwischen diesen sich der Magnet drehen kann.

Wird das Laufrad des Dynamos "gedreht", so dreht sich der Magnet und führt so zu einer Änderung des Magnetfeldes, dass die Spulen umschließt. Beim Drehen müssen nun die verschiedenen Magnetpole des Magneten an den Spulen vorbei. Dabei kommt es zwischen dem Magneten und der jeweiligen Spule zur Bildung eines magnetisches Feldes. Durch das veränderliche Magnetfeld (sowohl die Größe als auch die Richtung der Pole ändern sich beim Drehen) das der jeweiligen Spule ausgesetzt wird, wird eine elektrische Spannung induziert, die einer Wechselspannung gleicht.  Ändert sich die Ausrichtung des Magneten in Bezug auf die Spule, d.h. "sieht" beispielsweise die Spule erst den Nordpol des Magneten und anschließend den Südpol des Magneten, so kehrt sich die Polarität der Spannung um. Daher wird in dem Leiter auch eine (der Polarität des Magnetfeldes) wechselnde Spannung erzeugt.

Mit einen normalen Dynamo lassen sich einige Watt an elektrischer Leistung erzeugen, was normalerweise ausreicht, um Vorder- und Rücklicht eines Rades mit elektrischer Energie zu versorgen. Die elektrische Energie wird dabei an beiden Enden der Spulen abgegriffen und durch ein Kabel zu den Lampen geleitet.


Im Vorspann wurde erwähnt, dass man einen Dynamo ganz einfach aus einem Dauermagneten und einer Spule bauen könnte. Diese Übertragung auf einen Fahrraddynamo, dass ein Dauermagnet in einer Spule rotiert und so elektrische Energie erzeugt, findet aber in der Praxis nicht statt. Wenn du schon einmal einen Dynamo von Innen gesehen hast, dann ist dir bestimmt schon einmal ein Eisenstück (im Fahrraddynamo meist als Eisenkäfig, der die Spule umgibt) aufgefallen, dass mit der Spule verbunden ist. Ohne dieses Eisenstück würdest du nur ein paar Milliwatt an elektrischer Leitung erhalten.

Die Erklärung ist relativ einfach, statt eines Dauermagneten wird hier eine Art von Elektromagnet verwendet, der durch den Eisenkern mit Spule aufgebaut wird (und wie aus dem Kapitel "Aufbau eines Magneten" bekannt, hat ein "Elektromagnet" eine viel höhere magnetische Wirkung als ein Dauermagnet).





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