Frage zur Stromerzeugung durch Magnetfelder

[Bernd]

Hier meine Frage:

Strom wird in einem Leiter dann erzeugt, wenn magnetische Feldlinien möglichst im 90 Grad Winkel
über den Leiter hinweg bewegt werden.
Ich gehe davon aus das wenn man den Leiter zwischen sehr grossen Magnetpolen bewegt, auch dann
eine Spannung induziert wird, selbst wenn sie die Polarität der Feldlinien dabei nicht ändert. Als Besipiel
wenn ich einen Draht zwischen riesigen Magnetpolen bewege, dann bewege ich den Draht ja innerhalb
der Feldlinien aber die Polarität der Feldlinien bleibt immer gleich. Ensteht dann Spannung ? Wenn ja
dann wäre das ja, so lange ich den Leiter in nur einer Richtung bewege, ja Gleichstrom ?

Wie ist das in einem Generator, wenn der Magnet gleich mehrere Polschuhe der Spulen überdeckt ?
Ist es da de gleiche Effekt ?

Grüsse

Bernd

[Knuffi]

Strom wird in einem Leiter dann erzeugt, wenn magnetische Feldlinien möglichst im 90 Grad Winkel
über den Leiter hinweg bewegt werden.

Induktion entsteht durch Änderung des magnetischen Flusses in einer (geschlossenen) Leiterschleife.
Uind = - dPHI/dt mit dPHI = Integral B*dA mit B=magnetische Flußdichte und A = Fläche der umschlossenen Feldlinien.
Daraus folgt: Es wird nur eine Spannung induziert, wenn sich entweder der magnetische Fluß verändert (Stärke des Magnetfeldes ändert sich),
oder sich die Fläche der umschlossenen Feldlinien verändert.
Wenn eine Leiterschleife zwischen den Polen eines Hufeisenmagnetten rotiert, ändert sich die effektive Fläche der umschlossenen Feldlinien.
Nehmen wir an, die Feldlinien laufen von oben nach unten, wenn die Schleife senkrecht steht, umschließt sie keine Feldlinien und wenn die Schleife waagerecht steht, umschließt sie maximal viele Feldlinien.

wenn ich einen Draht zwischen riesigen Magnetpolen bewege, dann bewege ich den Draht ja innerhalb
der Feldlinien aber die Polarität der Feldlinien bleibt immer gleich. Ensteht dann Spannung ?

Jein, es kommt auf den geschlossenen Stromkreis an (Leiterschleife)
Entweder muß sich die magnetische Flußdichte ändern, oder die Menge (Fläche) der "umschlossenen" Feldlinien.

[Bernd]

Hallo Knuffi, schön dich auch hier zu sehen, willkommen in unserem schönen Forum

Die Hälfte hab ich kapiert von deinen Erläuterungen, die andere Hälfte nicht.
Das mit dem Ändern der Flußdichte bzw. Stärke (was ist eigentlich richtig formuliert?) entspricht
also dem klassischen Aufbau einer Spule mit einem Eisenkern, über der abwechselnd die Pole
eines Magneten rotieren, mal Nord- mal Südpol, die Magnetfeldrichtung und dessen Stärke ändert sich also ständig.
Was passiert wenn ich die Magnetfeldrichtung nicht umkehre, sondern nur immer den selben Magnetpol
mal drauf lege und dann wieder weg nehme. Entsteht dann pulsierender Gleichstrom ?

Bei den Scheibengeneratoren ist es ja so, das man die Schenkel der Spulen A) möglichst rechtwinklig ausführt,
damit diese auf einem grossen Teil ihrer Strecke im 90 Grad Winkel vom Magneten überstrichen werden,
und B) so breit macht, das über jedem Spulenschenkel möglichst ein unterschiedlicher Magnetpol steht.
Zu welchem Prinzip kann man das zuordnen ?

Grüsse

Bernd

[Knuffi]

Was passiert wenn ich die Magnetfeldrichtung nicht umkehre, sondern nur immer den selben Magnetpol
mal drauf lege und dann wieder weg nehme. Entsteht dann pulsierender Gleichstrom ?

Da Uind = -dPhi/dt
folgt, daß solange der magnetische Fluß steigt (Magnet bewegt sich auf die Spule zu) , die Polarität eine Richtung hat, und sobald der Fluß abnimmt (Magnet bewegt sich von der Spule weg), sich die Polarität umkehrt. Pulsierenden Gleichstrom bekommt man also nicht .

Beispiel:
Nehmen wir an, der magnetische Fluß hat folgende Werte (Maßeinheiten und das "-" lasse ich mal weg):
0, 1, 3, 4, 4, 3, 1, -1, -3, -4, -4, -3,-1,0 dann besträgt dPhi/dt => (1-0),(3-1),(4-3),(4-4),(3-4), (1-3), (-1-1),( -3--1)...
=> für die induzierte Spannung folgt 1, 2, 1, 0 ,-1, -2, -2, -1, 0, 1 , 2 ,1 ...
Die Polarität kehrt sich also in dem Moment um, wo der magnetische Fluß das Maximum erreicht, die maximale Spannung entsteht, wenn sich der magnetische Fluß am stärksten ändert.

In einen Trafo mit Primär und Sekundärwicklung kann man zwar pulsierenden Gleichstrom auf einer Seite einspeisen, auf der Sekundärseite kommt aber nur der Wechselstromanteil heraus, weil nur die "Änderung" des magnetischen Flusses die in der Sekundärspule induzierte Spannung bestimmt.

Den magnetischen Fluß kann man sich anschaulich als die "Anzahl Feldlinien" vorstellen, welche die Leiterschleife durchdringen.
Phi = B*A (A=Fläche)
Hohe magnetische Flußdichte (B) hieße dann "viele" Feldlinien.
Die Anzahl Feldlinien hängt aber auch von der Fläche der Leiterschleife ab, da in eine große Spulenwindung mehr Feldlinien passen, als in eine kleine.
Wenn man statt einer Windung => 2 Windungen nimmt, verdoppelt sich die Fläche und damit die Spannung...
Ein Eisenkern "konzentriert" die Feldlinien im Inneren, es passen also mehr Feldlinien auf eine kleinere Fläche...

Bei den Scheibengeneratoren ist es ja so, das man die Schenkel der Spulen A) möglichst rechtwinklig ausführt,
damit diese auf einem grossen Teil ihrer Strecke im 90 Grad Winkel vom Magneten überstrichen werden,
und B) so breit macht, das über jedem Spulenschenkel möglichst ein unterschiedlicher Magnetpol steht.
Zu welchem Prinzip kann man das zuordnen ?

Meinst du mit "Scheibengenerator" solche mit Ringmagnet, welcher sich um eine Stab- oder Sternförmige Spule dreht ?
Das Prinzip ist das gleiche, man muß wechselseitig ansteigenden und abfallenden magnetischen Fluß erzeugen,
d.h. je stärker die "Änderung der Anzahl Feldlinien" durch die Spule, umso mehr Spannung.

[Bernd]

Oh vielen Dank für deine interessanten Ausführungen. Das scheint ja dein Fachgebiet zu sein ?
Ich poste mal eine Abbildung die unser User Tobi mal gezeichnet hat. Sie zeigt Ideen zum
Bau eines eisenlosen Scheibengenerators. Wir sind davon ausgegangen das es am besten sei,
wenn sich jeweils unterschiedliche Magnetpaare über den Schenkeln einer Spule befinden. Ich hatte
das so verstanden das die Spannung in dem Moment induziert wird, wenn die Magnete über den
Spulenschenkel stehen, und nicht über dem Spulenloch. Was ist richtig ?



Das untere Bild zeigt ja eine "Sonderform" von Spule, weil sie nicht geschlossen ist, also zumindest
nicht so wie man es sonst kennt. Kannst du diese Bauform mit deinem Wissen in Einklang bringen ?
Ich bin da jetzt nämlich etwas verwirrt.



Grüsse

Bernd

[Knuffi]

Oh vielen Dank für deine interessanten Ausführungen. Das scheint ja dein Fachgebiet zu sein ? :)

Nein, "Fachgebiet" sicher nicht. Ich bin auch kein Experte auf dem Gebiet von Trafos und Generatoren und muß gestehen, daß ich mich mit "Magnetfeldern" (H, B, Phi, Sättigungskurven etc) im Studium immer extrem schwer getan habe. War für mich irgendwie immer unanschaulich im Vergleich zu elektrischen Feldern.

Bei eurem Generator bräuchtet ihr also einen 14 poligen Ringmagnet, bzw einen mit 14 N-S Übergängen ? !?

Ich glaube ich habe so etwas wie oben Gezeichnetes mal in uralten 5 1/4 Zoll Floppylaufwerken gesehen...eine Pertinax-Platte mit aufgeklebten Kupferwindungen und eine drübergestülpte, rotierende MU-Metall-Scheibe mit Ringmagnet, das Ganze von einem "Drehstrom-Generator-IC" gespeist als Antrieb für die Floppy-Scheibe

[Bernd]

Diese Scheibengeneratoren werden häufig im Windenergiesektor, besonders im Eigenbau,
eingesetzt denn sie sind leicht zu fertigen und haben absolut kein magnetisches Rastmoment
und ebensowenig die sonst üblichen Ummagnetisierungsverluste durch Eisenkerne.

Worum es mir geht ist die Frage, ob es nun mehr darauf ankommt das die Magneten wie
in Tobis wirklich hervorragener Abbildung ersichtlich über den Schenkel stehen müssen oder ob es
nur wichtig ist das sie irgendwann mal das Spulenloch kreuzen. Wann entsteht die meiste
Spannung, bei kreuzen der Leiter der Spule oder bei überstreichen des Spulenzentrums ?
Ich hatte mal einfache Test mit einem Kupferring an meinem eigenen Scheibengenerator
gemacht und dabei den Eindruck gewonnen das das Prinzip "muss über den Schenkeln stehen"
wichtiger war.

Grüsse

Bernd

[Knuffi]

Wann entsteht die meiste Spannung, bei kreuzen der Leiter der Spule oder bei überstreichen des Spulenzentrums ?

Wo sind die Feldlinien stärksten konzentriert und wann ergibt sich die schnellste Änderung der "Anzahl der Feldlinien" in der Leiterschleife ?
Die Feldlinien zwischen den nebeneinander liegenden Magneten "wirken" nicht ,weil sie die Spulenfläche nicht senkrecht durchlaufen.
Am stärksten sind sind die Feldlinien in der Mitte zwischen den Magnetpolen (jeweils oben-unten) konzentriert.

D.h. wenn sich der Leiterschleifenrand durch diese Stelle bewegt, ergibt sich die stärkste Änderung der "Anzahl der Feldlinien".
In dem Moment -würde ich annehmen- ist die Spannung am größten, während der Spannungs-Nulldurchgang auftritt, wenn sich die Kerne im Zentrum der Spulen befinden
=> wie ich oben geschrieben hatte: Im Punkt des maximalen magnetischen Flusses (d.h. wenn alle Feldlinien die Spulenfläche durchdringen) hat die Spannung ihren Nulldurchgang, die Energie kommt aus der "zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses durch Leiterschleife" (dPhi/dt ) !!

Das mit der Zick-Zack Spule (links) müßte eigentlich auch funktionieren.
In einer Position sind innerhalb der Leiterschleife alle "Südpole" oben und alle "Nordpole" unten , 1/14 Umdrehung weiter ist es umgekehrt.
Wenn die Spulendrähte das Zentrum der Magnete kreuzen, müßte jeweils das Spannungsmaximum erreicht sein, weil sich in dem Moment der magnetische Fluß am stärksten ändert....

[Bernd]

Ok Knuffi, dann ist es ja auch nach deiner Einschätzung so wie ich es bislang auch vermutete.
Dieser ganze Induktionskram ist manchmal ganz schön verwirrend. Nebenher tüftle ich immer
noch ein wenig an einem Ferritkerngenerator in Ringform. Dann bin ich mir nun sicher das
Entstehen der Spannung, also wann und warum, weitestgehend kapiert zu haben und kann mit
diesem Wissen nun ziegerichteter konstruieren.

Danke

Bernd

[Tobi]

Schönen guten Morgen Ihr zwei.
Na das Thema kommt mir irgendwie bekannt vor. Knuffi Du versteifst Dich ein bischen zu sehr auf Deine
Leiterschleife. Eine Spannung wird auch induziert wenn es ein gerader Leiter ist. Das Sichwort lautet
Lorentzkraft. Das klassische Experiment dazu ist die Leiterschaukel:

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web ... ndvers.htm

Unterm Strich ist die Sache mit dem zentrischen Magnetfeld in der Spule aber durchaus geläufiger.
Das liegt aber auch daran das es in den meisten Fällen um Spulen mit einem Eisenkern geht um den
der Leiter gewickelt ist. Dieser Eisenkern leitet das Magnetfeld einfach geradewegs weiter. Und da der
Leiter aber nun leider keine Ahnung hat das er da drum gewickelt ist und die Feldlinien nun trotzdem
im richtigen Winkel auf den ihn treffen, induzieren sie als Folge einer Stärkeänderung ein Spannung.

Das absolut anschaulichste Experiment dazu hat Bernd aber schon gemacht. Damals mit den entsprechend
gebogenen Kupferringen. Das war Physik in der Praxis genau nach meinem Geschmack. Nix rechnen,
sondern Prinzipien probieren.
Für Knuffi: Die angesprochenen Scheibenläufer kommen aus dieser Ecke:

http://www.otherpower.com/new17page1.shtml

Einfach mal zur Stator- und Rotorferigung weiterschauen. Die Dinger funktionieren wohl schon
lange sehr gut. In meinen Augen aber auf Kosten enormer Mengen an Magnetmaterial. Trotzdem
schön simpel herzustellen. Das Hauptthema ist bei der ganzen Sache nämlich auf Eisen zu verzichten.
Das ist einfach der Grund für Rastmomente bei dauererregten Generatoren die einen Lauf bei
Schwachwind behindern.

Gruß
Tobias