Physik Nachhilfe zum Herbst in Hamburg und Pinneberg

Erleuchtende Gedanken zur dunklen Jahreszeit: Die Tatsache, dass uns jedes Jahr im Herbst wieder „viele Lichter auf-“ beziehungsweise bei uns angehen, wenn die Tage kürzer und dunkler werden, hat natürlich auch etwas mit der klugen Anwendung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse und dem mutigen und zukunftsorientierten Handeln von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren zu tun.

Die wesentlichen Voraussetzungen dafür wurden gegen Ende des 19. Jahrhunderts geschaffen. Dem berühmten US-amerikanischen Erfinder Thomas Alva Edison verdanken wir zunächst die Schaffung des Leuchtmittels, der Glühlampe, die er 1879 der Öffentlichkeit vorstellte.

Etwa 12 Jahre später realisierten zwei namhafte Ingenieure eines deutschen Unternehmens im Zusammenhang mit der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt erstmals die Übertragung von elektrischer Energie über eine größere Distanz, nämlich über 175 km. Und was speiste der in einem Kraftwerk bei Lauffen am Neckar erzeugte Strom? 1000 Glühlampen auf dem Ausstellungsgelände.

Vier geniale Erfindungen und Entwicklungen waren es, die den industriellen Fortschritt der Folgejahrhunderte möglich machten:

• Die Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe von elektrischen Generatoren
• Die Übertragung der elektrischen Energie über größere Entfernungen
• Die Bereitstellung elektrischer Beleuchtung
• Die Realisierung der elektrischen Kraftübertragung mit Hilfe von Elektromotoren

Nicht von Ungefähr steht die Erzeugung der elektrischen Energie in der „Pole Position„: Sie ist natürlich die Voraussetzung für alles Weitere. Die elektrischen Maschinen, also die sogenannten Generatoren, die hierzu benötigt werden, beruhen in ihrer Funktion auf einem sehr einfachen Gesetz der Physik. Das gibt uns die Möglichkeit, auf unseren Schul- und Unterrichtsalltag Bezug zu nehmen.

Es handelt sich um das Induktionsgesetz, das im Physikunterricht in besonders einfacher Weise vorgeführt und nachgewiesen werden kann:

Eine Leiterschleife als Spule mit einer oder mehreren Windungen wird an einen speziellen Spannungsmesser angeschlossenen. Der magnetische Fluss Ф, den die Windungen der Spule in diesem Ausgangszustand umschließen, ist Null. Führt man nun einen Dauermagneten zügig in diese Spulenanordnung ein, so beobachtet man an dem vorerwähnten Spannungsmesser einen Zeigerausschlag, der umso größer ist, je schneller der Dauermagnet bewegt wird.

Grundsätzlich den gleichen Effekt beobachtet man, wenn man den Dauermagneten wieder aus Spule heraus zieht. Es kommt also nicht darauf an, dass die Spule den magnetischen Fluss Ф umschließt. Vielmehr spielt die Änderung des Flusses in der Zeit die entscheidende Rolle. Unsere Schüler in der Sekundarstufe II haben jetzt ihren großen Auftritt. Richtig:

Die in den Spulenkreis induzierte Spannung ist proportional der zeitlichen Änderung des Flusses, also dem Differentialquotienten des Flusses nach der Zeit: U ~ dФ / dt.

So unglaublich es klingt: Dieser schlichte Zusammenhang – das Induktionsgesetz – ist die Basis dafür, dass elektrische Energie mit Hilfe von Generatoren erzeugt werden kann. Von der Entdeckung dieses Gesetzes im Jahre 1831 durch den Physiker Michael Faraday über die  Anfänge der industriellen Nutzung zum Ende des 19. Jahrhunderts bis hin zu den modernen Kraftwerksgeneratoren, die heute unsere Verbundnetze zuverlässig speisen, war es natürlich ein weiter Weg.

Ein dem derzeitigen Stand der Technik entsprechender Kraftwerksgenerator hat einen rotierenden Teil (Läufer), der ein Magnetpolpaar trägt. Diese Magnetpolanordnung erzeugt den magnetischen Fluss Ф. Im stehenden Teil des Generators (Ständer) ist ein dreiphasiges Wicklungssystem angeordnet, das von dem Fluss durchsetzt wird. Und nun kommt das eigentlich Spannende: Um die nach dem Induktionsgesetz erforderliche zeitliche Änderung des Flusses in den Ständerspulen zu erzeugen, muss der Läufer des Generators gedreht werden. Dazu werden heutzutage – wegen der großen Leistungen – in der Regel Dampf- oder Gasturbinen verwendet.

So ein Generator ist also ein perfekter Energiewandler: Wir stecken mechanische Energie hinein, als Gegenleistung liefert er uns elektrische Energie. Durch eine intelligente Ausgestaltung des Polsystems im Läufer und ein ebenso intelligente räumliche Verteilung der dreiphasigen Wicklung am Umfang des Ständers stellt dieser Generator als Konsequenz aus dem Induktionsgesetz des Herrn Faraday drei sinusförmige Spannungen zur Verfügung, die um jeweils 120° gegeneinander versetzt sind. Davon können wir uns natürlich auch im Physikunterricht überzeugen, in dem wir die Spannungen an einer dreiphasigen Krafteinspeisung des Labors mit einem schreibenden Messgerät aufzeichnen. Wir müssen gestehen: So ein Generator ist aus dem Blickwinkel der MINT–Kompetenz ein wirklicher Superstar.

Wer Appetit bekommen haben sollte, ihm – zum Beispiel in seiner beruflichen Laufbahn näher zu begegnen – braucht eben MINT–Kompetenz, so einfach ist das!

ABACUS Physik– und Mathe-Nachhilfe hilft bekanntlich schon seit 18 Jahren auf dem Wege dahin.