Elektrische Energiesysteme stützen sich stark auf zwei eng verwandte Maschinen, die an der Oberfläche entgegengesetzte Aufgaben zu erfüllen scheinen. Ein Generator wandelt mechanische Drehung – von einer Turbine, die durch Dampf, Wasser oder Wind angetrieben wird – in elektrischen Strom um. Ein Elektromotor tut das Gegenteil: Er wandelt elektrischen Strom in mechanische Drehung um, die ein Rad, einen Ventilator oder einen Kompressor antreiben kann. Beide Maschinen beruhen tatsächlich im Grunde auf demselben zugrunde liegenden elektromagnetischen Prinzip, nur in entgegengesetzter Richtung angewendet.
Ein Generator nutzt Bewegung durch ein Magnetfeld, um Strom zu induzieren
Ein Generator funktioniert, indem sich eine Drahtspule innerhalb eines Magnetfelds dreht – oder gleichwertig Magnete um eine feststehende Spule rotieren –, sodass sich das durch die Spule verlaufende Magnetfeld während der Drehung ständig ändert. Dieses sich ändernde Magnetfeld induziert einen elektrischen Strom in der Spule, eine direkte Folge der elektromagnetischen Induktion: Immer wenn sich das Magnetfeld durch einen Leiter ändert, wird in diesem Leiter ein Strom induziert. Die gesamte Funktion eines Generators läuft darauf hinaus, mechanisch genau diese Art fortlaufender Veränderung zu erzwingen und dabei die mechanische Energie, die die Drehung antreibt, in elektrische Energie umzuwandeln, die der induzierte Strom trägt.
Ein Motor nutzt dieselbe Physik in die andere Richtung: Strom erzeugt Drehkraft
Ein Motor nutzt einen eng verwandten elektromagnetischen Effekt in umgekehrter Richtung: Wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, der sich innerhalb eines Magnetfelds befindet, wirkt auf diesen Leiter eine physikalische Kraft. Indem stromdurchflossene Spulen so innerhalb eines Magnetfelds angeordnet werden, dass diese Kraft die Spule beständig um eine zentrale Achse drückt, wandelt ein Motor die elektrische Energie des zugeführten Stroms direkt in mechanische Rotationsenergie um. Weil Generatoren und Motoren einen so großen Teil ihres zugrunde liegenden physikalischen Mechanismus teilen, werden viele elektrische Maschinen tatsächlich so gebaut, dass sie als beides nutzbar sind, je nachdem, ob mechanische oder elektrische Energie als Eingang zugeführt wird.
Was noch unklar ist
Die grundlegenden elektromagnetischen Prinzipien hinter Generatoren und Motoren sind präzise definierte, äußerst gut etablierte Physik und Elektrotechnik des neunzehnten und zwanzigsten Jahrhunderts, bestätigt über eine enorme Bandbreite praktischer Maschinen hinweg, die genau auf dieser Grundlage gebaut sind. Wirklich ein aktives Feld angewandter ingenieurwissenschaftlicher Forschung ist die Entwicklung von Motoren und Generatoren, die aus einer gegebenen Baugröße und einem gegebenen Gewicht mehr nutzbare Leistung herausholen und dabei weniger Energie als Wärme verschwenden – eine anhaltende Herausforderung angesichts des unvermeidlichen elektrischen Widerstands und der mechanischen Reibung realer Materialien. Ingenieure entwickeln weiterhin verbesserte Materialien, Magnetdesigns und Steuerelektronik, um diese Effizienzgrenzen weiter zu verschieben, ohne dass eine reale Maschine je eine perfekte, verlustfreie Umwandlung erreicht.
Das gehört zu Energiesysteme & Elektrische Maschinen, einem von acht Themen in Elektrotechnik, einem von vier Fachbereichen in Ingenieurwissenschaften, einem von siebzehn Fächern, zu denen dich die App abfragen kann.