Wie wird die elektrische Energie für Scheinwerfer und Rücklicht , bereitgestellt?

8 Antworten

Die Idee dahinter ist die einen sogenannten Dynamo für die Erzeugung der elektrischen Energie zu verwenden und ich denke auf dieses Prinzip elektrische Energie zu erzeugen will dein Lehrer auch hinaus.

Kurz gesagt sorgt ein Dynamo dafür kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln - Verluste. Keine sorge. Von den Verlusten musst du erstmal nicht viel verstehen. Es reicht erstmal das Prinzip des Dynamos zu verstehen.

Wie funktioniert das? Ein Fahrraddynamo sieht folgendermaßen aus:

Über die Halterung aus Metall mit dem Loch für die Befestigung durch eine Schraube wird der Dynamo am Fahrrad so montiert, dass dieser Mechanisch mit dem oberen drehbaren Kopf auch Reibrad genannt. Am Rad des Fahrrads anliegen kann und so beim Fahren für eine Drehbewegung des Reibrades des Dynamos sorgt. Der Dynamo kann je nachdem ob man diesen benötigt auch vom Rad trennen, sodass das Rad für keine weitere Drehbewegung mehr sorgen kann, je nachdem ob man nun Licht braucht oder nicht. Wird kein Licht benötigt, wird der Dynamo vom Rad einfach getrennt somit wird keine weitere kinetische Energie mehr in elektrische umgewandelt. Eine Raste sorgt dafür, dass der Dynamo nicht von selbst auf das Rad zurückfallen kann.

Wie sieht so ein Dynamo von innen aus? Das kann man mit dem einfachen folgenden Bild verdeutlichen:

Wie du siehst ist das Reibrad mechanisch fest mit einen Dauermagneten verbunden. Dreht sich das Reibrad, so dreht sich auch der Dauermagnet.

Das blaue unten soll eine Spule darstellen. Das Material ist zunächst einmal egal die Vorraussetzung ist nur, dass es elektrisch Leitfähiges Material sein muss also Stoffe, die den elektrischen Strom leiten können. Je besser die Leitfähigkeit, desto besser der sogenannte Wirkungsgrad. Wirkungsgrad sagt dabei etwas darüber aus, wie gut etwas wirkt also wir gut z.b. in dem Fall die kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Wenn du genauso viel elektrische Energie bekommst wie du kinetische Energie in das System steckst bedeutet es, dass dein Wirkungsgrad 100% ist. Wenn nicht alles von der kinetischen Energie in elektrische umgewandelt werden kann z.b. nur 90% davon in elektrische Energie umgewandelt wird, dann heißt es, dass 10% der Energie dann Verlust sind also verloren sind.

"Moment mal! Energie kann doch nicht verloren gehen. Das sagt doch der Energieerhaltungssatz!" Absolut richtig. Die Energie geht nicht verloren die Energieform ist für das System allerdings technisch für das Ergebnis nicht mehr relevant deshalb nennt man sie Verluste. Für das Ergebnis worauf das System hinaus will ist diese Energieform nicht mehr förderlich.Schließlich will man in dem Fall eine Lampe zum leuchten bringen und nicht z.b. den Dynamo oder die Lampe oder das Kabel erwärmen, allerdings kommt es hier z.b. in dem Dynamo zur Reibung und Reibung bringt nun einmal Wärme mit sich und diese Wärme Energie ist in dem Fall ein Teil dieser Verlustenergie. Irgendwoher muss die Energie ja her kommen, die dazu führt, dass sich dein Dynamo erwärmt.

Durch die Art und Weise wie man einen Dynamo baut und welche Materialien verwendet, kann man dafür sorgen, dass der Wirkungsgrad des Systems größer wird und sich dann z.b. nicht so schnell erwärmt.

Für die Wicklungen wird z.b. oft Kupfer verwendet. Zwar haben Gold und Silber eine größere Leitfähigkeit jedoch ist Kupfer günstiger. Es geht also auch um Wirtschaftliche Faktoren in solchen Systemen, deshalb kann es sein, das man dann ein Material verwendet, dessen physikalischen Eigenschaften vielleicht nicht die besten sind im Gegensatz zu anderen Materialien aber die wesentlich günstiger sind. Es muss sich am Ende auch rentieren können. Kupfer ist daher ein beliebtes Material für die Herstellung von elektrischen Leitern. Auch für die Elektroinstallation im Gebäude z.b. wird überwiegend Kupfer verwendet.

Nun aber weiter zur Funktion. Um genau zu verstehen, wie nun diese Drehbewegung also die kinetische Energie die in der Drehbewegung steckt in elektrische umgewandelt wird muss man ein paar elektrotechnische Grundlagen kennen.

Es wird Vorausgesetzt, dass du die elektrische Stromstärke definieren kannst, die elektrische Spannung definieren kannst und den elektrischen Widerstand definieren kannst.

Das Induktionsgesetz ist ein Naturgesetz, welcher besagt, dass in jeden elektrisch Leitfähigen Material eine elektrische Spannung induziert wird also im Prinzip erzeugt wird, welcher eine ÄNDERUNG im Magnetfeld erfährt, welches ihm umgibt.

Das heißt, dass die absolute Voraussetzung für das Induzieren einer Spannung der ist, dass das Magnetfeld welches den elektrischen Leiter durchströmt bzw. welcher der elektrische Leiter erfährt sich ändert. Bleibt das Magnetfeld gleich ändert wird auch keine Spannung indzuiert.

Das heißt wenn dein Dynamo stillsteht also dein Reibrad und damit auch der damit verbundene Dauermagnet stillsteht, bleibt das Magnetfeld welcher durch die Spule strömt an jeden Punkt von seiner höhe her Stabil und es wird keine Spannung induziert und da die Spannung die URSACHE des elektrischen Stroms ist, fließt damit auch kein Strom und deine Lampe leuchtet nicht.

Wird der Magnet in durch dein Reibrad in Bewegung versetzt, bewegt sich damit auch der Magnet und die Stärke des Magnetfeldes, welcher der elektrische Leiter in der Spule erfährt ändert sich. Es wird eine Spannung induziert.

Das Induktionsgesetz:

Sagt dabei wie groß die Spannung wirkt. Denn die Induzierte Spannung Ui wird größer je größer und je schneller die Magnetflussänderung stattfindet. das d vor dem t steht dabei für delta und sagt hier aus, dass es sich um eine ÄNDERUNG der physikalischen Größe handelt in dem Fall um die Änderung der Zeit. Wenn du also insgesamt eine Magnetischeflussdichte Phi (Das ist dieses komische Zeichen mit dem Kreis und dem Horizontalen Strich in der Mitte) von 500 milli Weber hast und dann nach einer bestimmten Zeit nur noch 400 milli Weber hast, dann ist deine ÄNDERUNG der Magnetischenflussdichte Delta Phi 100 milli Weber. (Weber ist dabei übrigens die Einheit der Magnetischen Flussdichte.)

Die Anzahl der Windungen an der Spule N (eine Spule ist ja nichts anderes als ein an sich isolierter Leiter der einfach nur aufgewickelt wird. Das heißt, nimm ein Stück Kabel, Wickel in an deinem Finger auf und du hast eine Spule ohne Eisenkern gebaut.) wird dann einfach dazu multipliziert, da es sich hier um ein Proportionales Verhalten handelt. Das heißt je mehr Windungen deine Spule hat, desto größer wird deine elektrische Spannung. Nach dem Ohmschen Gesetz ist die höhe des Stroms bei gleichem Widerstand Proportional zur Spannung, das heißt wenn die Spannung größer wird wird auch der Strom größer.

Wann ändert sich also bei einem Fahrraddynamo der magnetische Fluss am schnellsten? Wenn der Magnet sich schneller dreht. Das heißt je schneller du in die Pedale trittst, desto schneller ändert sich das Magnetfeld und desto größer wird die Spannung wenn die Spannung größer wird, gibt es mehr Strom und deine Lampe leuchtet heller bis du es völlig übertreibst, der Strom zu groß wird und deine Lampe kaputt geht :)

Der Stromkreis schließt sich über die + Leitung aus dem Dynamo, dem Verbraucher und dem Gestell des Fahrrads als Masse bzw. - Leitung. Da nämlich das gesamte Gestell des Fahrrads aus Leitfähigem Material besteht lässt dieser sich wunderbar als - Pol verwenden somit reicht nur ein Kabel zur Lampe als + für die Lampe.

Das Fahrrad ist nicht das einzige was ein solches Prinzip für die Stromerzeugung nutzt. Auch in einem Auto gibt es einen solchen Generator bzw Dynamo oder auch Lichtmaschine genannt. Anstelle eines Dauermagneten verwendet man jedoch eine Spule. In einem Dynamo bildet der Magnet den sogenannten Läufer. Der wird so genannt, weil dieser beweglich ist und sich drehen kann, er "läuft" also. Die Spule bildet den Stator. In einer Lichtmaschine im Auto befindet sich dort anstatt eines Dauermagneten eine Spule als Läufer, der mit einen Strom durchflossen wird. Je nach dem wie groß der Strom durch die "Läuferspule" ist, ist das daraus resultierende Magnetfeld entsprechend, denn jeder Stromdurchflossene Leiter bildet ein Magnetisches Feld aus, denn die Ursache des magnetischen Feldes ist die Bewegung von Ladungsträgern. Bzw. Es gibt keine magnetischen Monopole. Es handelt sich immer um bewegte Ladungen. Zumindest sagt das Maxwell in seiner Gleichung die Maxwell Gleichung.

So kann mithilfe der Regulierung des Stromes in der Läuferspule damit die induzierte Spannung angepasst werden, sodass die Induktionsspannung 14,4 Volt nicht übersteigt (bzw. Ladeschlussspannung 12V Autobatterie)

Vermutlich wird das Induktions Gesetz selbst in der 9. Klasse von dir nicht abverlangt es reicht also wenn dir das Prinzip der Stromerzeugung durch einen Dynamo klar ist, du weißt, was Strom, Spannung und Widerstand ist und das sich ändernde Magnetfelder Spannungen induzieren bzw. erzeugen und die Maxwell Gleichung wird ganz sicher nicht von dir abverlangt aber ich denke es schadet nicht zumindest mal gehört zu haben woher das kommt. Ich meine ich finde es persönlich einfach unglaublich welche Entdeckungen und Erkenntnisse in der Physik gemacht werden mussten um so etwas scheinbar simples und mittlerweile selbstverständliches überhaupt zu bauen und herzustellen :)

Vor allem hast du sicherlich schon von den 4 Grundkräften gehört die das Universum bestimmen: Die Gravitation, die Starke Wechselwirkung bzw. Die starke Kernkraft, Die schwache Wechselwirkung bzw. schwache Kernkraft und die elektromagnetische Wechselwirkung und alles das also zumindest das Prinzip basiert hauptsächlich nur auf den Erkenntnissen der elektromagnetischen Wechselwirkung also das man weiß, das bewegte Ladungen Magnetfelder ausbilden und die Ursache des elektrischen Feldes die Elementarladungen also Elektronen und Protonen sind.

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Deshalb gibt es an fast allen Fahrrädern einen Dynamo, der von einem Laufrad angetrieben wird.

Dadurch wird kinetische Energie (Bewegung) in elektrische Energie (Strom) umgewandelt.

Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, denn die Energie, die die Leuchten abgeben, stammt aus den Nahrungsmitteln, die du gegessen hast!

Kinetische Enerie -> Dynamo (nichts anderes als ein Generator) -> Strom -> Licht

Schon mal was von einem DYNAMO gehört?

Google/Wikipedia hilft.

Und die neuen Fahrräder haben auch Akkus, so dass im Dunkeln/im Stand das Licht für 1 bis 2 Minuten weiterleuchtet.

Alternativ zu den Akkus können das auch Kondensatoren sein.

Ja, das ist tatscächlich so. Ich könnte mich heute immer noch in den A beißen. Ich habe zeitnah mitbekommen, dass es Goldcaps mit 0,5F gibt und sofort ein nachleuchtenden Rücklicht konsturiert. Dazu braucht´s nur ein paar Teile. Irgendwann 2 Jahre später gab´s die zu kaufen. Hätte ich meine Idee patentieren lassen, wäre ich jetzt ein reicher alter Schnösel.

Übrigens wär mir damals ein PKW-Fahrer beinahe ins Fahrrad geknallt, weil ihm nicht bewußt war, dass ich anhalte.

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