Wie wird Haushaltsstrom erzeugt? Von Faraday

Wir können nicht im Alltag ohne Strom leben und wir wissen auch, dass der Strom für die Haushalte aus Kraftwerken stammt. Doch wie erzeugen Kraftwerke Strom? Wer hat dieses Prinzip als Erster entdeckt? Um dies zu verstehen, müssen wir zunächst mit einer Person beginnen – Faraday.

1. Elektromagnetisches Induktionsphänomen

Nachdem der dänische Physiker Oersted die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms entdeckt hatte, dachte sich der britische Physiker Faraday: Wenn elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugen kann, kann dann umgekehrt das Magnetfeld elektrischen Strom erzeugen? Denn zu Faradays Zeiten nutzten die Menschen Elektrizität mithilfe von Voltaschen Zellen aus Zink, Kupfer und Salzwasser. Dieser Batterietyp war schwer herzustellen, hatte eine niedrige Spannung und der erzeugte Strom war für den Gebrauch durch normale Menschen nicht geeignet. Allerdings sind die natürlichen Magnetvorkommen sehr reichlich vorhanden. Würde man Magnete zur Stromerzeugung nutzen, könnten Tausende Haushalte mit Elektrizität versorgt werden.

Für dieses Ideal führte Faraday mühsame Experimente durch. Seine ursprüngliche Idee bestand darin, einen Magneten in eine Spule einzusetzen und zu erwarten, dass im Schaltkreis Strom erzeugt wird, doch damit hatte er keinen Erfolg. Schließlich gelang Faraday mit seinem Experiment im Jahr 1831 der Durchbruch. Er entdeckte, dass im Stromkreis nur dann Strom erzeugt wurde, wenn der Magnet in die Spule eingeführt oder aus ihr herausgezogen wurde.

Mithilfe moderner Methoden können wir Faradays Experiment mit der oben beschriebenen Situation vergleichen: Schließen Sie ein Amperemeter an eine Spule an. Wenn Sie einen Magneten in die Spule einführen, erzeugt das Amperemeter eine Anzeige. Darüber hinaus ist der Ausschlag des Amperemeterzeigers umso größer, je schneller das Einstecken erfolgt. Wenn der Magnet die Spule herauszieht, schlägt auch der Zeiger des Amperemeters aus, allerdings in die entgegengesetzte Richtung. Wenn der Magnet jedoch stationär in der Spule bleibt, fließt kein Strom im Stromkreis.

Faraday verstand schließlich, dass Magnete nur dann elektrischen Strom erzeugen können, wenn sie sich in Bewegung befinden und verändern. Faraday fasste seine Entdeckungen in fünf Fällen zusammen. Einer davon, der auf moderne Generatoren angewendet wird, besteht darin, dass ein Leiter, der magnetische Kraftlinien in einem Magnetfeld schneidet, elektrischen Strom erzeugen kann.

Beispiel: Wir schließen einen Draht an ein Amperemeter an und bewegen den Draht nach rechts, sodass der Draht die magnetischen Kraftlinien wie ein Messer durchschneidet und Strom im Stromkreis fließt. Und wir können die Richtung des Stroms mit der rechten Handregel bestimmen: Wenn die magnetischen Kraftlinien durch die Handfläche der rechten Hand verlaufen und der Daumen in die Bewegungsrichtung des Drahtes zeigt, dann ist die Richtung der vier Finger der rechten Hand die Richtung des erzeugten Stroms.

Basierend auf diesem Prinzip baute Faraday einen ersten Generator, doch der britische Schatzkanzler äußerte Zweifel an der Nützlichkeit des Generators. Er fragte Faraday: Ihre Erfindung ist interessant, aber welchen Nutzen hat sie?

Faraday sagte: „Sir, vielleicht können Sie es bald besteuern.“

Tatsächlich ist Elektrizität mittlerweile zu einem unverzichtbaren Bestandteil unseres Lebens geworden. Wer zahlt nicht für Strom?

2. Gleichstrom und Wechselstrom

Frühe Generatoren erzeugten Gleichstrom. Gleichstrom ist ein elektrischer Strom, dessen Richtung sich nicht ändert. Heutzutage ist der gesamte Strom in unseren Haushalten Wechselstrom. Der sogenannte Wechselstrom ist ein elektrischer Strom, dessen Richtung sich periodisch ändert.

Konkret handelt es sich bei der Zweilochsteckdose um einen Draht, der als „Neutralleiter“ bezeichnet wird. Die Spannung des Neutralleiters ist die gleiche wie die der Erde, Sie bekommen also keinen Stromschlag, wenn Sie den Neutralleiter berühren. Der andere Draht wird als „stromführender Draht“ bezeichnet. Die Spannung der stromführenden Leitung ist manchmal höher als die Erdung und manchmal niedriger als die Erdung. Da der Strom von Hochspannung zu Niederspannung fließt, fließt er manchmal vom stromführenden Kabel durch Elektrogeräte und dann zurück zum Neutralleiter, und manchmal fließt er vom Neutralleiter durch Elektrogeräte und dann zurück zum stromführenden Kabel. Jeder Zyklus beträgt 1/50 s, was als 50-Hz-Wechselstrom bezeichnet wird. Der größte Vorteil von Wechselstrom gegenüber Gleichstrom besteht darin, dass sich die Spannung sehr einfach ändern lässt, wodurch bei der Hochspannungsübertragung Verluste reduziert werden können.

Wie wird dieser Wechselstrom erzeugt?

Wechselstrom kann durch Drehen einer Drahtspule in einem Magnetfeld erzeugt werden. Beispielsweise in der in der Abbildung dargestellten Situation: Wenn sich die Spule dreht, bewegt sich der rechte Draht nach oben und gemäß der Rechte-Hand-Regel fließt der erzeugte Wechselstrom von c nach d; der linke Draht bewegt sich nach unten und der erzeugte Wechselstrom fließt von a nach b, sodass der Stromfluss im gesamten Stromkreis in Richtung cdab erfolgt. Das äußere Ende der Spule ist über zwei Bürsten mit dem äußeren Stromkreis verbunden, sodass der Strom durch die Bürsten von oben nach unten durch die Glühbirne fließen kann.

Nach einem halben Zyklus dreht sich die Spule um einen halben Kreis, ab und cd tauschen die Positionen und die Stromrichtung wird badc. Auf diese Weise fließt der Strom von unten nach oben durch die Glühbirne. Dadurch entsteht Wechselstrom. Rotiert die Spule mit konstanter Geschwindigkeit, entsteht ein sinusförmiger Wechselstrom.

Mit anderen Worten: Solange sich Spule und Magnet relativ zueinander drehen können, kann elektrischer Strom erzeugt werden. Bei modernen Generatoren rotieren nicht die Drahtspulen, sondern die Magnete, der sogenannte „Rotor“. Die Spule ist stationär und wird als „Stator“ bezeichnet. Gleichzeitig verfügt der Generator aufgrund der Anforderungen des Ingenieurbüros über drei Spulengruppen, wobei jeweils zwei Spulengruppen in einem Winkel von 60 Grad zueinander angeordnet sind.

Auf diese Weise werden, wenn sich der Magnet mit konstanter Geschwindigkeit in der Spule dreht, in den drei Spulengruppen drei sinusförmige Wechselströme erzeugt, die jeweils um 1/3 Zyklus hinter dem vorherigen zurückbleiben.

Diese drei Wechselstromversorgungen haben einen gemeinsamen Nullleiter (Neutralleiter) und unterschiedliche stromführende Leiter (Ausgangsleiter). Wenn wir bei der Stromversorgung einen stromführenden Draht und einen Neutralleiter an ein Elektrogerät anschließen, entsteht 220 V Haushaltsstrom. Wenn wir zwei stromführende Kabel an das Elektrogerät anschließen, entsteht 380 V Industriestrom.

Wie können wir also eine Spule oder einen Magneten rotieren lassen? Dies hängt vom Generatortyp ab. Wasserkraftgeneratoren sind auf den Aufprall des Wassers angewiesen, um die Turbine zum Rotieren zu bringen. Windkraftanlagen sind auf Lüfterblätter angewiesen, um den Generator zum Rotieren zu bringen, und thermische Generatoren sind auf Verbrennung angewiesen, um Wasserdampf zu erhitzen und die Turbine anzutreiben. Dieser Vorgang erfordert den Verbrauch externer Energie. Kurz gesagt ist ein Generator eine Maschine, die andere Energieformen in elektrische Energie umwandelt.

Nach der Erfindung des Generators schossen verschiedene Elektrogeräte wie Pilze aus dem Boden und für die Menschheit begann das elektrische Zeitalter.

3. Ein wissenschaftlicher Meister, der nie zur Schule ging

Wir müssen auch über Faraday sprechen – den Mann, der die Menschheit in das elektrische Zeitalter führte. Faraday wurde in eine Schmiedefamilie hineingeboren. Aufgrund der Armut seiner Familie brach er die Grundschule nach nur zwei Jahren ab und begann eine Lehre als Buchbinder. Durch diese Tätigkeit kam er jedoch mit einer großen Zahl von Büchern und verschiedenen Dokumenten in Berührung, die für normale Menschen unzugänglich waren, und er entwickelte eine tiefe Faszination für die Wissenschaft.

Mit Hilfe eines alten Kunden der Buchhandlung hatte der 20-jährige Faraday die Gelegenheit, der Vorlesung des Chemikers Davy zu lauschen. Er schrieb außerdem einen Brief und schickte ihn David per Post, einschließlich der Abschrift seiner Rede, in der er seine Bereitschaft zum Ausdruck brachte, sich der Wissenschaft zu widmen.

Nachdem er Faradays Lebenslauf gelesen hatte, sagte Davy zu ihm: „Junger Mann, lassen Sie mich Ihnen sagen, dass die Wissenschaft sehr schwierig ist und nicht viel bringt.“

Faraday antwortete: „Ich betrachte die Wissenschaft als ihre eigene Belohnung.“

Davy wurde versetzt und Faraday wurde schließlich Assistent in Davys Labor. Sein wissenschaftlicher Traum wurde von Davys Labor aus Wirklichkeit. Später erzielte Faraday erstaunliche Leistungen in Physik und Chemie und wurde zum größten Wissenschaftler seiner Zeit.

Faraday war auch ein Mann mit hohem moralischen Charakter. Aufgrund seiner frühen Erfahrungen legte er großen Wert auf die Ausbildung junger Wissenschaftler und förderte eine Gruppe wissenschaftlicher Meister wie Maxwell. Er lehnte es ab, zum Ritter geschlagen zu werden, lehnte es zweimal ab, Präsident der Royal Society of Science zu werden, und äußerte seine Abneigung gegen eine Beerdigung in der Westminster Abbey, der letzten Ruhestätte Newtons und anderer. Deshalb begrub man ihn auf anderen Friedhöfen, errichtete ihm aber neben Newtons Grab in der Westminster Abbey ein Denkmal.

Sein Mentor David war übrigens auch ein berühmter Chemiker. Man glaubt, dass Davids größter Beitrag die Entdeckung Faradays war …

Quelle: Herr Li Yongle