Woher der Strom kommt

Wir haben jetzt viel über Elektrizität und auch ein wenig über Magnetismus gelernt. Im Alltag begegnet uns ersteres vor allem als Strom aus der Steckdose. Aber wo kommt der Strom überhaupt her? In diesem letzten Grundlagenpost über Elektromagnetismus soll diese Frage geklärt werden. Viele andere interessante Sachen, wie z.B. die Nachrichtenübertragung per Funk und vor allem das Thema Licht werden dann später folgen, wenn es dann tatsächlich um die Phänomene und nicht mehr die Grundlagen geht.

Im (vor-)letzten Post "Navigation und heiße Drähte" haben Sie erfahren, dass Elektrizität und Magnetismus sehr eng miteinander verknüpft sind. In gewisser Weise kann man sagen, dass sie die zwei Seiten einer Medaille, nämlich des Elektromagnetismus, sind. Und das ist gar nicht so offensichtlich und nebensächlich, wie es vielleicht scheint. Bewegt sich eine Ladung, erzeugt sie ein (sich änderndes) Magnetfeld, und ändert sich ein Magnetfeld, entsteht gleichzeitig ein (sich änderndes) elektrisches Feld (das Ladungen bewegen kann). Es hängt also wie eine Kette zusammen. Und genau dieser Zusammenhang ist es, der uns mit "Strom" versorgt: In einem Generator wird durch Änderung von Magnetfeldern (nämlich indem man ganz einfach Magneten bewegt), ein elektrisches Feld erzeugt und so ein Strom "induziert" (das ist der Fachbegriff). Fast die gesamte Stromversorgung auf der Welt basiert auf diesem Prinzip. Eine der wenigen Ausnahmen wäre beispielsweise die Photovoltaik (Solarzellen) oder Brennstoffzellen.
Der Clou: Das Ganze funktioniert auch anders herum: Legt man Strom an einen Generator an, wird aus ihm ein Elektromotor. Also ist das selbe Prinzip sowohl für die Stromerzeugung wie auch für einen guten Teil der Stromnutzung grundlegend. Mehr als Grund(legend) genug, um sich in diesem Post mit dem Generator/Motor auseinander zu setzen. Und es handelt sich dabei um ein überraschend einfaches Teil:

Der typische Aufbau ist im nebenstehenden Bild ("Isi", Wikicommons) recht anschaulich dargestellt. Die zwei gebogenen Platten außen, rot und blau eingefärbt, sind Permanentmagnete. Sie sind fest am Gehäuse des Motors (nicht zu sehen) angebracht, weshalb man diesen ganzen Teil "Stator" nennt (er ist stationär). In dem Stator befindet sich ein drehbarer Teil, der "Rotor". Im Bild besteht er aus dem Anker (in Silbergrau) und den darauf aufgewickelten Drahtspulen (wieder rot und blau) den kupferfarbenen Kontakten und der Stange, die sich direkt in der Mitte befindet ("Welle" genannt). Es gibt natürlich kompliziertere Varianten, aber das Prinzip ist immer das Gleiche.

Generator: Dreht man die Welle, rotiert der Rotor und die Spulen bewegen sich durch das Magnetfeld der Permanentmagnete. Aus Sicht der Spule ändert sich dadurch ständig das sie durchfließende Magnetfeld und erzeugt ein elektrisches Feld. Wer (Wiener) Walzer tanzen kann, kennt wahrscheinlich den Effekt, dass sich alles zu drehen scheint, obwohl man weiß, dass man es eigentlich selbst ist. Ohne jetzt näher ins Detail zu gehen sorgt das elektrische Feld nun dafür, dass an den Kontakten eine Spannung anliegt und Strom fließen kann. Das ist auch schon alles. Sowohl so etwas "einfaches" wie ein Fahrrad-Dynamo wie auch die Generatoren eines Atomkraftwerkes erzeugen auf diese Weise Strom. Beim Fahrrad ist es der Kontakt zum Reifen, der den Rotor in Drehung versetzt. Im AKW ist es nichts weiter als (Wasser)Dampf, der eine Turbine antreibt (und die eigentliche Atom"kraft" wird verwendet, um das Wasser zu erhitzen).

Motor: Statt den Kontakten Strom zu entnehmen, kann man auch einen Strom anlegen. In diesem Fall erzeugt der Stromfluss in dem aufgewickelten Draht auf dem Anker dafür, dass ein Magnetfeld entsteht. Die Konstruktion ist so ausgeführt, dass, wie im Bild, ein magnetischer Nordpol (blau) genau da entsteht, wo auch der Nordpol des Permanentmagneten (auch blau) ist. Das Gleiche gilt für den Südpol (rot). Nun wissen wir, dass sich gleiche Pole (magnetisch) abstoßen, genau wie es gleiche Ladungen (elektrisch) tun. Der Rotor will sich also gerne so drehen, dass die blaue Drahtspule zum roten Permanentmagneten geht und umgekehrt. Und das macht er auch. Hat sich der Rotor aber soweit gedreht, haben sich auch die Kontakte getauscht (man bemerke den Spalt zwischen den Kupferkontakten), sodass die Spulen ihre Polungen umkehren und wieder auf die andere Seite wollen. Auf diese Weise dreht sich der Rotor immer weiter, solange ein Strom durch seine Spulen fließt.

Viel mehr gibt es dazu eigentlich nicht zu sagen. Und damit ist auch der Grundlagenblock zur Elektrodynamik vollständig. Wenn die Erklärungen noch nicht ganz EIndeutig waren, kann man über die Google-Bildersuche viele andere, anschauliche Darstellungen (und auch Animationen) finden, die dieses Prinzip verdeutlichen (aber erst weiterlesen!). Was mich bei dieser Thematik immer wieder beeindruckt: Trotz allen Fortschritts und trotz aller Technik erzeugen wir fast unseren gesamten Strom (in Atom-, Kohle- und Öl/Gas/anderen Verbrennungskraftwerken) dadurch, dass wir Wasser heiß machen und mit dessen Dampf einen Generator antreiben, dessen Urform bereits um 1820 entstanden ist. Mit anderen Worten: Die Technik, die tatsächlich das "stromerzeugende Element" ist, ist fast 200 Jahre alt (was jetzt übrigens auch Windkraftanlagen einschließt). Ich hoffe, es gibt in näherer Zukunft einen Weg, verfügbare Energien effizienter nutzbar zu machen.

Für Experimentierfreudige folgende Aufgabe: Sie haben eine Batterie, ein Stück Draht (10 cm), einen guten Magneten und eine Schraube. Wie können sie daraus einen einfachen, funktionsfähigen Elektromotor bauen (die Baterie ist in der Tat nichts weiter als die Stromquelle). Wenn Sie sich der Aufgabe stellen wollen sollten Sie erstmal NICHT die Bildersuche verwenden...
Wenn Sie es geschafft haben: Können Sie sich erklären, was da passiert? (Das ist aber schon wirklich eine Expertenfrage)