Lindenbauer - JKU

PHYSIKALISCHES 

SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM 

WS 2002/03 

Motor - Generator 

(7. Klasse AHS) 

Versuche am: 21. November 2002 

28. November 2002 

Lindenbauer Edith 0055478 

Ennsdorf am 1. Dezember 2002

Physikalisches Schulversuchspraktikum Seite 2 


Inhaltsverzeichnis 

1) Wann wird dieses Thema unterrichtet? 3 

2) Aufteilung Unter-/Oberstufe 3 

3) Benötigtes Vorwissen 4 

4) Lernziele 4 

5) Lerninhalt 5 

6) Versuche 19 

a) Versuchsanordnung 

b) Versuchsdurchführung 

c) Zeit 

d) Theoretischer Hintergrund 

e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung 

f) Anmerkungen 

7) Arbeitsblätter 32 

8) Anmerkungen 32 

9) Literaturverzeichnis 33



1) Wann wird dieses Thema unterrichtet? 

Das Thema Motor - Generator beschäftigt sich mit folgenden Gebieten: 

Wechselstromgenerator, Wechselstrommotor, Gleichstromgenerator, Gleichstrommotor, das 

dynamo-elektrische Prinzip und Drehstrom. Es wird laut Lehrplan in der 4. und 7. Klasse des 

Realgymnasiums unterrichtet. 

2) Aufteilung Unter-/Oberstufe 

Dieses Protokoll beschäftigt sich mit dem Thema „Motor - Generator“, wie es in der 

Oberstufe unterrichtet werden kann. Folgende Versuche, die in der Oberstufe durchgeführt 

werden können, sind in diesem Protokoll enthalten: 

1. Selbsterregter Gleichstrom-Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - 

Hauptschlussgenerator 

2. Selbsterregter Gleichstrom-Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - 

Nebenschlussgenerator 

3. Hauptschlussmotor 

4. Nebenschlussmotor 

5. Modell eines Synchronmotors 

6. Drehstromgenerator 

Der Lerninhalt, der zu diesem Thema in der Oberstufe unterrichtet wird, ist im Kapitel 5 

angeführt. 

Folgende Versuche sind im Unterstufenprotokoll angeführt: 

Generator mit Permanentmagnet 

Generator mit Elektromagnet 

Elektromotor mit Permanentmagnet 

Ich möchte dazu darauf hinweisen, dass man diese Versuche (nur anders aufbereitet) auch in 

der Oberstufe durchführen kann. Weiters enthält das Unterstufenprotokoll auch 

Zusatzinformationen zu folgenden Themen: 

Stromerzeugung in Kraftwerken 

Kraftwerksarten 

Netzaufbau 

Der Weg des Stromes vom Kraftwerk zum Endverbraucher 

Stromverbrauch in Österreich 

Grundlast, Spitzenlast 

In der Unterstufe wird aus den Themenbereichen „Motor“ und „Generator“ folgendes 

unterrichtet (dabei habe ich mit an folgendem Schulbuch orientiert: 1 ) 

1. Gleichstrommotor (Aufbau und Arbeitsweise) 

2. Wechselstrommotor (grundlegende Funktionsweise) 

3. Elektromagnetische Induktion 

1 Fürnstahl, Wolfbauer, Becker, Obendrauf: Physik heute 4 (für AHS) (3. Auflage (1994)) 

VERITAS-Verlag, Linz, S. 12 - 21



4. Gleichstrom- und Wechselstromgenerator (Aufbau und Arbeitsweise) 

5. Drehstrom 

3) Benötigtes Vorwissen 

Physikalisch: 

Die Schüler haben bereits in der 4. Klasse (Unterstufe) grundlegendes zu den Themen Motor 

und Generator erfahren (siehe Kapitel 2 (Aufteilung Unter-/Oberstufe), Seite 3). Bevor man 

jedoch dieses Thema in der 7. Klasse unterrichtet, sollte man die Grundlagen zum Thema 

„Elektrisches Feld“ sowie folgende Bereiche aus dem Gebiet „Magnetisches Feld“ behandeln: 

Magnetisches Feld: das Magnetfeld; Ströme im Magnetfeld; Erzeugung magnetischer Felder 

durch Ströme; die Lorentzkraft; das Induktionsgesetz; die Lenzsche Regel 

(dazu: Wirbelströme) 

Mathematisch: 

Die Schüler sollten folgendes mathematische Wissen besitzen, wenn man dieses Thema 

behandelt: 

- Winkelfunktionen 

- Differentialrechnung: Vor allem zur Einführung des Induktionsgesetzes wäre es sinnvoll, 

wenn die Schüler die Grundlagen der Differentialrechnung beherrschen würden. Man sollte 

dieses Thema daher erst unterrichten, wenn die Schüler über dieses mathematische Wissen 

verfügen. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, sich mit dem Mathematiklehrer der 

Klasse abzusprechen, damit dieser die Differentialrechnung (kommt ebenfalls im Stoff der 7. 

Klasse vor) möglichst bald in der Klasse behandelt. (Sollte dies unter Umständen nicht 

möglich sein, sollte man statt mit infinitesimalen Änderungen (z. B. dt) mit „sehr kleinen 

Änderungen“ (z. B. t) rechnen.) 

4) Lernziele 

Ich möchte den Schülern anhand der Versuche zum Thema „Motor - Generator“ die 

nachstehend angeführten Wissensbereiche vermitteln bzw. die angeführten Fragen behandeln 

(dabei habe ich mich an jenen Schulbücher orientiert, die ich auch für die Zusammenstellung 

des Lerninhalts verwendet habe – siehe Kapitel 5: Lerninhalt). Die Schüler sollen diese 

Themen verstehen und ihr Wissen danach auch selbständig anwenden können. 

Generatoren 

Funktionsweise des Wechselstrom- und Gleichstromgenerators 

Motoren 

Funktionsweise des Wechselstrom- und Gleichstrommotors 

Das dynamo-elektrische Prinzip 

Verstehen des dynamo-elektrischen Prinzips; Funktionsweise von Hauptschluss- und 

Nebenschlussgenerator; Funktionsweise von Hauptschluss- und Nebenschlussmotor 

Drehstrom 

Funktionsweise des Drehstromgenerators; Unterschied zwischen Stern- und 

Dreieckschaltung; Grundprinzip des Drehstrommotors



5) Lerninhalt 

Der Lerninhalt ist so dargestellt, dass er (mit zusätzlicher Erklärung durch den Lehrer) für 

Schüler der 7. Klasse verständlich ist. Weitere Informationen, die nur für den Lehrer gedacht 

sind (und somit für einen Schüler in diesem Alter nicht verständlich sind), werden besonders 

gekennzeichnet. 

(Bei der Zusammenstellung des Lerninhalts habe ich mich an folgenden Schulbüchern 

orientiert: 2 , 3 , 4 , 5 ) 

1. Die Lorentzkraft 

Auf der Kraftwirkung von Magnetfeldern auf stromdurchflossene Leiter beruht z. B. die 

Wirkungsweise von Elektromotoren. 

In einem Magnetfeld B erfährt ein Leiter der Länge s, in dem ein Strom I fließt, 

die Lorentzkraft F = IsB, 

wenn I senkrecht zur Feldrichtung fließt (bzw. F = IsB sin , wenn I und B den 

Winkel einschließen). Auf Ströme parallel zur Feldrichtung wirkt keine Kraft. 

Nun berechnen wir die Kraft auf einzelne Ladungen. 

Stellen wir uns einen Leiter (oder einen Elektronenstrahl) mit dem Querschnitt A vor, in dem 

sich n Ladungsträger pro Volumen, die jeweils die Ladung q tragen, mit der Geschwindigkeit 

v bewegen. In der Zeit t fließt durch den Querschnitt A jene Ladungsmenge Q, die in dem 

Volumen A.v.t enthalten ist: 

Q = q . n . A . v. t, daher ein Strom I = Q / t = q n A v . 

Auf ein Leiterstück s wirkt im Magnetfeld B die Kraft 

F = I s B = q n A v s B = q ( n A s ) v B = q N v B 

Dividieren wir durch die Gesamtzahl N = nAs der Ladungen in dem Leiterstück, so erhalten 

wir den Betrag der Lorentzkraft auf eine einzelne Ladung 

F = q v B 

Kraft und Kraftrichtung lassen sich am einfachsten in vektorieller Form ausdrücken: 

F = qv x B (die kursiv und fett geschriebenen Buchstaben sind Vektoren) 

2 Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS (2. Auflage (1992)) 

Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, S. 62 – 68, 72 – 75, 81 - 82 

3 Stütz, Uhlmann: Von der Physik 3, Oberstufe (1998) 

Verlag E. Dorner GmbH, Wien, S. 87 – 89, 105 - 106 

4 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu (1. Auflage (2002)) 

Verlag öbv & hpt, Wien, S. 52 – 53, 58 - 90 

5 Schreiner: Physik 3, Oberstufe (1. Auflage (1991)) 

Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, S. 49 – 57, 68 - 70



Bewegt sich eine Ladung q mit der Geschwindigkeit v 

senkrecht zum Magnetfeld B, so wirkt auf sie senkrecht zu v und B 

die Lorentzkraft F = qvB, 

bzw. F = qv x B, wenn v und B einen beliebigen Winkel einschließen. 

Da die Lorentzkraft stets senkrecht zur Bewegungsrichtung steht, verändert sie nur die 

Richtung der Geschwindigkeit, aber nicht deren Betrag. 

2. Elektromagnetische Induktion 

Fahrraddynamos, elektrische Generatoren in Kraftwerken und Transformatoren haben eine 

gemeinsame physikalische Grundlage, die sogenannte elektromagnetische Induktion. 

Die elektromagnetische Induktion ermöglicht beispielsweise die Umwandlung von 

mechanischer Energie in elektrische Energie. Die elektromagnetische Induktion wurde von 

Michael Faraday 1831 durch systematische Grundlagenforschung entdeckt. In einer Serie von 

verschiedenen Versuchen hatte er sich überzeugt, dass entgegen seiner ursprünglichen 

Vermutung nicht konstante Magnetfelder, sondern nur deren Änderung Ströme hervorrufen. 

In einem dieser Versuche hatte er über einen Weicheisenring zwei Spulen aus Kupferdraht 

gewickelt (und damit den ersten Transformator gebaut). Die Sekundärspule schloss er mit 

einem Draht kurz, den er zum Stromnachweis über eine Magnetnadel führte, die Primärspule 

schloss er an eine Batterie an. Er beobachtete einen Ausschlag der Magnetnadel, die nach 

einigen Schwingungen wieder in der Nord-Süd-Richtung zur Ruhe kam; beim Ausschalten 

schlug die Nadel in die umgekehrte Richtung aus. Offensichtlich war beim Ein- und 

Ausschalten des Stroms in der Primärspule kurzzeitig in der Sekundärspule Strom geflossen; 

bei konstantem Strom durch die Primärspule, floss durch die Sekundärspule kein Strom. 

Worauf könnte der in der Sekundärspule induzierte Strom zurückzuführen sein? Faraday fand 

heraus: 

In der Spule wird eine Spannung hervorgerufen (induziert), wenn sich das 

Magnetfeld im Inneren der Spule nach Größe oder Richtung ändert. 

Das von Faraday gefundene Induktionsgesetz ist eine der wichtigsten Grundlagen der 

Elektrotechnik. Man kann es an Hand eines einfachen Spezialfalles quantitativ formulieren. 

Ruhender Magnet – bewegter Leiter 

Zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten hängt man 

ein kleines Drahtstück waagrecht auf und verbindet es mit 

einem Messgerät, das Spannungen von wenigen Millivolt 

anzeigen kann (siehe nebenstehendes Bild). Lässt man die 

Schaukel schwingen, so beobachtet man einen Ausschlag 

des Voltmeters, wobei die Spannung ihr Vorzeichen mit 

der Schaukelbewegung periodisch umkehrt. 

Um dieses Ergebnis zu erklären, nähern wird das Feld des 

Hufeisenmagneten durch ein räumlich begrenztes 

homogenes Feld (B) an. Bewegt sich die Leiterschaukel



darin mit der Geschwindigkeit v, so wirkt auf jedes Elektron (Abbildung aus: 6 ) 

(Elementarladung e) im Draht die Lorentzkraft 

F = evB 

Sie verschiebt die Elektronen im Draht. Dadurch wird das eine Ende des Drahtes negativ 

geladen (Elektronenüberschuss, während das andere Ende positiv geladen ist 

(Elektronenmangel). Diese Ladungsverteilung erzeugt eine elektrische Feldstärke E im Draht, 

die so lange anwächst, bis Gleichgewicht zwischen Lorentzkraft und elektrischer Kraft 

besteht: 

evB = eE 

Multiplizieren wir die elektrische Feldstärke E mit der Länge s des Drahtes, so erhalten wir 

die induzierte Spannung 

Uind = Es = vBs 

Wir bewegen nun statt des Drahtstücks eine 

rechteckige Drahtschleife. Liegt die gesamte 

Schleife im homogenen Magnetfeld, so wird in 

den beiden zur Bewegungsrichtung senkrechten 

Leiterstücken dieselbe Spannung induziert und 

das Voltmeter zeigt keine Spannungsdifferenz an 

(siehe nebenstehende Abbildung aus: 7 ) 

Liegt hingegen nur ein Teil der Schleife im 

Magnetfeld, wird wieder eine induzierte 

Spannung 

Uind = vBs angezeigt. 

(siehe nebenstehende Abbildung aus: 8 ) 

Wird die Schleife in der Zeit dt um das Stück vdt 

(= dx) verschoben, ändert sich die vom 

Magnetfeld durchsetzte Fläche A um dA = -svdt 

(Verkleinerung). Daher gilt sv = - dA/dt (siehe 

untenstehende Abbildung aus: 9 ) 

6 Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS, ebda. S. 66 




Die oben verwendete Leiterschaukel entspricht 

gerade diesem Fall: der bewegte Leiter befindet 

sich im homogenen Magnetfeld, der Rest der 

Schleife im feldfreien Raum.



Als magnetischer Fluss durch die Fläche A, deren Normale mit den Feldlinien den Winkel 

einschließt, wird das Produkt BA cos bezeichnet. 

(Abbildung aus: 10 ) 

Verschiebt man die Leiterschleife um dx (= vdt), 

so ändert sich der magnetische Fluss um 

d = B dA = - Bs dx. 

Daraus folgt: 

d = - Bs dx = - Bsv dt = - Uind dt 

Die Einheit von : [] = V.s = Wb (Weber) 

Damit können wir das Induktionsgesetz formulieren. Es 

fasst unsere experimentellen Ergebnisse zusammen und 

beschreibt Phänomene, die nicht durch die Lorentzkraft 

erklärt werden können. 

Das Induktionsgesetz 

Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife, so wird eine 

Spannung induziert: 

Uind = - d/dt 

Führt man weitere Experimente durch findet man, dass auch dann eine induzierte Spannung 

auftritt, wenn der Leiter ruht und der Magnet bewegt wird. Das Induktionsgesetz besagt 

nämlich, dass bei jeder Änderung des magnetischen Flusses innerhalb einer Leiterschleife 

stets eine Spannung induziert wird. 

Die Induktionsspannung in einer Spule mit N Windungen, die vom gleichen magnetischen 

Fluss durchsetzt werden beträgt: Uind = -N d/dt. 

3. Die Lenzsche Regel 

Bei der Erklärung der elektromagnetischen Induktion spielt der Energieerhaltungssatz eine 

wesentliche Rolle. Er führt dazu, dass das Magnetfeld des Induktionsstroms NICHT zu einer 

Verstärkung des erregenden Feldes führt. Vielmehr schwächt das Magnetfeld des 

Induktionsstroms das erregende Magnetfeld. Der Energieerhaltungssatz lässt keine 

unbegrenzte Aufschaukelung des Induktionsstroms durch sein eigenes Magnetfeld zu. 

Für alle elektromagnetischen Induktionserscheinungen lässt sich sagen: 

Die Lenzsche Regel 

10 Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 AHS, ebda. S. 67



Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass seine Wirkung der Ursache 

des Induktionsstroms entgegengesetzt ist. 

4. Generatoren und Motoren 

Generatoren dienen zur Erzeugung elektrischer Spannungen und Ströme. Ihre physikalische 

Grundlage ist das Induktionsgesetz. Die Funktion der Elektromotoren beruht auf der 

Lorentzkraft. 

4.1. Der Wechselstromgenerator 

Durch Induktion lassen sich relativ leicht Wechselströme erzeugen. Das Grundprinzip eines 

Wechselstromgenerators besteht darin, dass sich Leiterschleifen so in einem Magnetfeld 

drehen, dass sich der magnetische Fluss durch die Spulen dauernd ändert. So wird eine 

Spannung induziert. 

In der nachfolgenden Abbildung sehen wir einen Wechselstromgenerator. Die in der 

Leiterschleife induzierte Spannung wird über die Bürsten an den Schleifringen abgenommen. 


Wir betrachten eine einzelne Leiterschleife, die sich im homogenen, zeitlich konstanten 

Magnetfeld eines Hufeisenmagneten dreht (siehe nachstehende Abbildung). Für den 

magnetischen Fluss gilt: 

= B . A . cos 

û magnetischer Fluss durch die Leiterschleife 

B û Magnetfeld 

A û Querschnittsfläche der Schleife 

û Drehwinkel 

Wenn die Leiterschleife mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, so gilt 

für den Drehwinkel im Wesentlichen: 

11 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 69



= . t 

û Drehwinkel 

û Winkelgeschwindigkeit 

t û Zeit 

Entsprechend dem Induktionsgesetz wird in der Schleife eine Spannung Uind induziert: 

U i n d = - d/dt = - d( BA cos t)/dt = BA s in t = U m sin t 

Da die Sinusfunktion maximal den Wert 1 annehmen kann, ergibt sich für die 

Induktionsspannung der Maximalwert BA. Dieser Wert heißt Scheitelspannung Um. Die 

Spannung nimmt den Maximalwert an, wenn der Fluss durch die Schleife verschwindet, weil 

die Flussänderung zu diesem Zeitpunkt jeweils ihr Maximum erreicht. 

Trägt man die vom Generator erzeugte Spannung in einem t-U-Diagramm (Zeit-Spannungs- 

Diagramm) auf, erkennt man, dass sich die Spannung zeitlich nach Betrag und Vorzeichen 

entsprechend der Sinusfunktion ändert (siehe nachstehende Abbildung). 


Durch Vergrößerung der Anzahl der Schleifen (Windungszahl der Spule) kann man die 

Spannung, die mit dem Generator erzeugt werden kann, entsprechend vergrößern. Schließt 

man an die Enden der Spule mit Hilfe von Schleifringen einen Verbraucher an, so kann Strom 

fließen. 

Die Stärke des Stroms richtet sich nach der Größe der induzierten Spannung und nach der 

Größe des Widerstands von Verbraucher und Induktionsspule im Generator. 

Da sich die Induktionsspule in einem Magnetfeld dreht, wirkt auf die stromdurchflossene 

Induktionsspule eine bremsende Lorentzkraft ( F = IsB). Zur Aufrechterhaltung der Drehung 




der Spule muss entgegen der Lorentzkraft dauernd mechanische Arbeit verrichtet werden. Bei 

einem idealen Generator geht diese mechanische Arbeit vollständig in elektrische Energie 

über. Reale Generatoren erreichen Wirkungsgrade von etwa 95 %. 

4.2. Der Wechselstrommotor (Synchronmotor) 

Führen wir den vom Generator erzeugten Strom einer zweiten, gleichartig aufgebauten 

Maschine zu, so treten dort die gleichen Drehmomente auf wie beim Generator. Die 

Leiterschleife beginnt sich zu drehen. Wir haben einen elektrischen Motor konstruiert. Die am 

Generator verrichtete Arbeit kann nunmehr am Motor wieder abgenommen werden. Dieser 

einfache Sachverhalt begründet die Bedeutung der Elektrizität für das tägliche Leben. 

Mechanische Energie kann an einem Ort in elektrische Energie umgewandelt und über ein 

Leitungsnetz an beliebige andere Orte geliefert werden, wo sie nutzbringend verwertet wird. 

Dabei sichert die (fast) vollständige Umwandelbarkeit von mechanischer in elektrische 

Energie den hohen Wirkungsgrad dieses Energieverteilungssystems. 

Hier kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: „Modell eines Synchronmotors“ 

(siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Anhand dieses Versuches kann die grundlegende 

Funktionsweise eines Synchronmotors erklärt werden. 

Diese Art von Motoren eignet sich allerdings nur für wenige Anwendungen. Aus dem 

Stillstand läuft er nicht an, da das vom Wechselstrom hervorgerufenen Drehmoment ständig 

die Richtung ändert. Die Drahtschleife zittert daher nur um ihre Ruhelage. Erst wenn man den 

Motor angeworfen und auf die der Frequenz des Wechselstromes entsprechende 

Umdrehungszahl gebracht hat, hat das Drehmoment eine gleichbleibende Richtung. Der Lauf 

des Motors erfolgt dann synchron mit dem des Generators. Man spricht deshalb vom 

Synchronmotor. Der Synchronmotor ist bei allen Anwendungen nützlich, wo es auf eine 

konstante Drehzahl ankommt, wie beispielsweise bei elektrischen Uhren. Für andere 

Anwendungen ist er ungeeignet, da er angeworfen werden muss und bei hohen Belastungen 

außer Takt gerät und stehen bleibt. 

4.3. Der Gleichstromgenerator 

Bei der Drehung der Leiterschleife oder der Spule im Magnetfeld ändert sich die 

Stromrichtung nach jeder halben Umdrehung (Wechselstrom). Um Gleichstrom mit einem 

Generator zu erzeugen, muss man die Änderung der Stromrichtung nach jeder halben 

Umdrehung unterbinden. Dies gelingt mit einem sogenannten Stromwender (Kollektor). 


Gleichstromgenerator 

Ein wesentlicher 

Unterschied zwischen 

Wechselstrom- und 

Gleichstromgeneratore 

n besteht in der Art des 

Spannungsabgriffs. 

Beim 




Gleichstromgenerator wird ein Stromwender (Kommutator, Kollektor) eingesetzt. Der 

Kollektor besteht im einfachsten Fall aus zwei leitenden Halbzylindern, zwischen denen sich 

zwei isolierende Spalte befinden. Jeder Halbzylinder ist mit je einem Ende der Spule 

verbunden. Die isolierenden Spalte laufen gerade in dem Moment an den Bürsten vorbei, 

wenn es zu einer Umpolung der Stromrichtung in der Leiterschleife kommt. Diese Anordnung 

bewirkt, dass die eine Bürste zum Pluspol des Generators, die andere Bürste zum Minuspol 

wird. 

Mit einem derartigen Gleichstromgenerator kann man einen Strom erzeugen, der zwar seinen 

Betrag ändert, aber immer in die selbe Richtung fließt. Mit Gleichstromgeneratoren erzeugt 

man einen sogenannten pulsierenden Gleichstrom. 


Das Pulsieren kann geglättet werden, indem man die eine Spule durch mehrere gegeneinander 

verdrehte Spulen ersetzt und einen entsprechend geteilten Kollektor verwendet. 

4.4. Der Gleichstrommotor 

Der Gleichstromgenerator kann auch als Motor verwendet werden. Der Kollektor polt den 

Strom immer im Totpunkt um, so dass ein Drehmoment entsteht, das immer im selben Sinn 

wirkt. Dieser Motor läuft von selbst an. Wenn der Feldmagnet ein Dauermagnet ist, ändert 

dieser Motor beim Umpolen der angelegten Spannung seinen Drehsinn, weil die Pole des 

Rotors vertauscht werden. 

5. Das dynamo-elektrische Prinzip 




Bisher haben wir Generatoren und Motoren betrachtet, bei denen das notwendige magnetische 

Feld von einem Permanentmagneten geliefert wird. Weil solche Magnetfelder nicht sehr stark 

sind, liefern derartige Maschinen nur geringe Leistungen. Erst mit der Erfindung des dynamoelektrischen 

Prinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1867 wurde der Bau großer 

Generatoren und Motoren möglich. 

Das Magnetfeld dieser Maschinen wird durch einen Elektromagneten erzeugt. Bemerkenswert 

ist, dass die elektrische Energie zum Speisen des Elektromagneten vom Generator selbst 

geliefert werden kann. Dabei reicht beim Starten des Generators der Restmagnetismus im 

Eisenkern des Elektromagneten aus, um eine geringe Spannung in der Induktionsspule zu 

erzeugen. Mit dieser Spannung wird der Elektromagnet des Generators gespeist, wodurch sich 

wiederum die Induktionsspannung erhöht. 

5.1. Hauptschlussmaschinen 

Beim Hauptschlussgenerator sind die Wicklungen der Feldmagnete und die Induktionsspule 

in Serie geschaltet. 


Prinzipschaltung der 

Hauptschlussmaschinen 

Ein Hauptschlussgenerator 

erregt sich also nur dann, 

wenn der 

Verbraucherstromkreis 

geschlossen ist. Der 

Wirkungsgrad des 

Hauptschlussgenerators ist 

dann hoch, wenn der 

Widerstand der 

Feldwicklungen klein im 

Vergleich zum Widerstand der Verbraucher ist. 

Hier kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: „Selbsterregter Gleichstrom- 

Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - Hauptschlussgenerator“ (siehe: Kapitel 6 

(Versuche)). Anhand dieses Versuches kann die Funktionsweise eines 

Hauptschlussgenerators erklärt werden. 

Ein dem Prinzip nach ähnlich aufgebauter Motor ist der Hauptschlussmotor. Beim 

Hauptschlussmotor sind die Wicklungen des Elektromagneten (im starren Teil des Motors, 

Stator) und der drehbaren Spule (Rotor, Anker) in Serie geschaltet. Der Strom durchfließt 

zunächst die Spule eines Elektromagneten und wird dann über den Kollektor dem Rotor 

zugeführt. Der Hauptschlussmotor kann mit Gleich- und mit Wechselstrom betrieben 

werden. Daher nennt man den Hauptschlussmotor auch einen Universalmotor. Bei Betrieb 

mit Gleichstrom behält das Magnetfeld stets seine Richtung bei, und der Motor arbeitet wie 

der früher besprochene Gleichstrommotor. Dreht man die Stromrichtung um, so ändert sich 

die Laufrichtung des Motors nicht, da sich sowohl das Magnetfeld als auch die 




Stromrichtung im Rotor umkehrt. Um den Drehsinn des Motors zu ändern, muss man die 

Anschlüsse am Kollektor vertauschen. 

Zu diesem Thema kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: „Hauptschlussmotor“ 

(siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Anhand dieses Versuches kann die Funktionsweise eines 

Hauptschlussmotors erklärt werden. 

Durch Regelung der Betriebsspannung lässt sich das Drehmoment des Hauptschlussmotors 

verändern. Beim Einschalten fließt ein starker Strom, weshalb dieser Motor beim Anlaufen 

ein großes Drehmoment besitzt: solche Motoren werden z. B. als Hubmotoren bei Kränen 

verwendet. 

5.2. Nebenschlussmaschinen 

Motoren und Generatoren, bei denen die Wicklung der Feldspulen parallel zur Wicklung des 

Rotors geschaltet ist, heißen Nebenschlussgeräte. 


Prinzipschaltung der 

Nebenschlussmaschine 

Der Nebenschlussgenerator 

erregt sich auch ohne 

angeschlossenen Verbraucher. 

Der Wirkungsgrad des 

Nebenschlussgenerators ist 

dann hoch, wenn der 

Widerstand der Feldwicklung 

hoch und der Widerstand im 

Anker niedrig im Vergleich 

zum Widerstand im 

Verbraucher ist. 

Hier kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: „Selbsterregter Gleichstrom- 

Generator / Dynamoelektrisches Prinzip - Nebenschlussgenerator“ (siehe: Kapitel 6 

(Versuche)). 

Nebenschlussmaschinen haben den Vorteil, dass man durch Regulierung des Stroms durch die 

Feldwicklung das Drehmoment auf den Rotor verändern kann. Dadurch kann man die 

Drehzahl des Motors leicht einstellen. Ein weiterer Vorteil des Nebenschlussmotors besteht 

darin, dass die Drehzahl von der Belastung nahezu unabhängig ist. 

Zu diesem Thema kann folgender Versuch durchgeführt werden: „Nebenschlussmotor“ 

(siehe: Kapitel 6 (Versuche)). 

6. Drehstrom (Dreiphasenwechselstrom) 

In den Generatoren der Kraftwerke werden Wechselströme mit mehreren Tausend Volt 

Spannung erzeugt. Ein Abgreifen der Spannung mit Hilfe von Schleifringen ist hier nicht 

mehr technisch durchführbar. Die Schleifringe würden durch die andauernde Funkenbildung 




verschmoren. Man hat dieses Problem so gelöst, dass die felderzeugenden Spulen am Rotor 

des Generators angebracht werden und die Induktionsspulen im Gehäuse fest sitzen (Stator.) 

Wenn man mehrere Induktionsspulen im Stator anbringt, kann ein Generator gleichzeitig 

mehrere Leitungen mit Strom versorgen. 

6.1. Der Drehstromgenerator 

Technisch verwirklicht und häufig im Einsatz sind sogenannte Drehstromgeneratoren. Sie 

enthalten drei verschiedene Induktionsspulen, die zueinander einen Winkel von 120° 

einnehmen (siehe untenstehende Abbildung aus: 17 ) 

Da die drei Induktionsspulen zueinander einen Winkel von 120° einnehmen, weisen die 

induzierten Spannungen U1, U2 und U3 eine Phasenverschiebung von je 120° zueinander aus. 

Je ein Ende der drei Spulen befindet sich auf gemeinsamem Nullniveau des Potentials 

(Erdung) 

Hier kann man folgenden Versuch durchführen: „Drehstromgenerator“ (siehe: Kapitel 6 

(Versuche)). 

Die drei vom Generator wegführenden Leitungen nennt man die drei Außenleiter L1, L2, L3 

des Drehstroms. 





In der obigen Abbildung sieht man den Verlauf der drei induzierten Spannungen und ihre 

Phasenverschiebung von 120° (entspricht: 2/3). Man kann diesen Verlauf wiederum durch 

eine Sinusfunktion darstellen: 

U1 = Um . sin (t) Um û maximale Spannung, die in einer Induktions- 

U2 = Um . sin (t - 2/3) spule des Generators induziert wird 

U3 = Um . sin (t - 4/3) û Kreisfrequenz 

Es lässt sich folgendes zeigen: 

Summe der drei Spannungen der Außenleiter 

Die Summe der drei Spannungen der Außenleiter L1, L2 und L3 ist immer null. 

U1 + U2 + U3 = 0 

6.2. Sternschaltung 

Jeder der Außenleiter führt gegenüber dem Neutralleiter beim Verbraucher eine bestimmte 

Effektivspannung Ueff. Verbraucher großer Leistung (z. B. ein Elektroofen) werden aus drei 

gleichen Teilverbrauchern R1, R2, R3 aufgebaut. Bei der Sternschaltung (siehe nachstehende 

Abbildung) liegt jeder Teilverbraucher zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter 

(dem Sternpunkt N). Der Neutralleiter ist die gemeinsame Rückleitung für die drei Ströme 

i1, i2, i3. Sie haben gleiche Effektivwerte und gegen die zugeordnete Spannung dieselbe 

Phasenverschiebung (= 120°). Ihre Summe i1 + i2 + i3 = 0, der Neutralleiter ist stromlos. 





Die vielen Kleinverbraucher in den Haushalten kann man nicht gut aus drei gleichen Teilen 

aufbauen, sie brauchen Einphasenwechselstrom. Man schließt sie an einen der Außenleiter 

und den Neutralleiter an. Werden dadurch die Außenleiter ungleich belastet, so verschwindet 

die Stromstärke im neutralen Leiter nicht mehr. Man verteilt daher diese Verbraucher 

möglichst gleichmäßig auf die drei Außenleiter. 

Die Versorgung der Wohnhäuser erfolgt so, dass zwischen den Außenleitern L1, L2, L3 und 

dem Neutralleiter eine Spannung von 230 V besteht. Die Verdrahtung einer Siedlung wird so 

geplant, dass die zu erwartenden Belastungen der einzelnen Außenleiter ungefähr gleich groß 

sind. 

6.3. Dreieckschaltung 


19 Schreiner: Physik 3, Oberstufe, ebda. S. 68



Es gibt noch eine zweite Möglichkeit, Spannung im Drehstromnetz abzugreifen, nämlich 

nicht zwischen Außenleiter und Neutralleiter, sondern zwischen zwei Außenleitern. Eine 

derartige Schaltung nennt man eine Dreiecksschaltung (siehe obige Abbildung). Sie wird 

besonders beim Betreiben leistungsstarker Geräte eingesetzt, da zwischen zwei Außenleitern 

eine höhere Spannung liegt, als zwischen Außenleiter und Neutralleiter. 

Die Spannung zwischen zwei Außenleitern ist mehr als eineinhalb mal so groß wie die 

Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter. Eine genaue Rechnung zeigt, dass die 

Spannung U12 zwischen den Außenleitern L1 und L2 das 3 –fache der Spannung U1 bzw. U2 

beträgt. 

Zusammenfassung: 

Zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter liegt eine Effektivspannung von 230 V. 

Zwischen zwei Außenleitern liegt eine Effektivspannung von 400 V. 

6.4. Drehstrommotor 

Der Drehstromgenerator lässt sich durch Anspeisung mit Drehstrom als Synchronmotor 

verwenden. Von dieser Möglichkeit wird aber praktisch nie Gebrauch gemacht, da sich ein 

asynchron laufender Drehstrommotor besonders leicht realisieren lässt und gute 

Betriebseigenschaften aufweist. Einer der Vorteile des asynchronen Drehstrommotors ist, 

dass er selbstständig anläuft. 

Der übliche asynchrone Drehstrommotor enthält drei felderzeugende Spulen, die im Stator 

des Motors angebracht sind (siehe Abbildung). 


Jede Spule wird durch 

einen Außenleiter mit 

einer Phase des 

Drehstroms mit Energie 

versorgt. Zwischen den 

Spulen überlagern sich die 

drei Magnetfelder. Die 

resultierende Richtung des 

magnetischen Feldes 

ändert sich dabei mit der 

gleichen Periode, die der 

Wechselstrom aufweist. 

Bringt man nun einen leitenden Körper in dieses magnetische Drehfeld, so entstehen durch 

Induktion Wirbelströme in diesem Körpeer. Entsprechend der Lenzschen Regel beginnt der 

Körper mit dem Feld mitzurotieren. Die Wirbelströme bleiben nur solange aufrecht, wie 

zwischen Rotor und Drehfeld ein Frequenzunterschied besteht. Drehfeld und Rotor laufen 

nicht synchron. 

20 Jaros u. a.: Basiswissen 3 neu, ebda. S 89 

21 Schreiner: Physik 3, Oberstufe, ebda. S. 69



Bei Belastung des Motors geht die Drehzahl des Ankers zurück. Dadurch bleibt der Anker 

weiter hinter dem magnetischen Drehfeld zurück, wodurch es zu einer stärkeren 

Induktionswirkung und damit zu höheren Wirbelströmen kommt. Diese verursachen durch 

ihre Wechselwirkung mit dem Drehfeld ein höheres Drehmoment auf den Anker, wodurch die 

Drehzahl wieder steigt. Der Drehstrommotor passt sich also seiner Belastung an. 

6) Versuche 

Zuerst folgen nun einige wichtige Informationen zum Aufbau der Versuche und Hinweise zur 

Handhabung. (Diese wurden entnommen aus: 22 ) 

Kurzgefasste Aufbauanleitung: 

1. Grundbrett aufstellen und gegebenenfalls befestigen 

2. Achse ölen 

3. Justierscheibe auf die Achse aufsetzen 

4. Magnete bzw. Spulen und Polschuhe mittels Schrauben am Grundbrett befestigen 

5. Justierscheibe von der Achse abziehen 

6. Rotor auf die Achse aufsetzen 

7. Bürstenbrücke aufsetzen, Bürsten einsetzen 

8. Bürsten zunächst senkrecht stellen; im Versuch durch geringfügiges Verdrehen günstigste 

Stellung ermitteln 

Bei den verwendeten Scheibenmagneten ist der Nordpol durch einen roten Farbring 

gekennzeichnet. 

Die bei unseren Versuchen verwendeten Spulen besitzt zwei elektrische Anschlusspunkte: 

Von der roten Buchse aus betrachtet, ist der Wicklungssinn rechtslaufend, von der weißen 

Buchse aus dementsprechend linkslaufend, d. h. bei einer Verbindung der weißen Buchse mit 

dem positiven Pol einer Stromquelle und der roten mit dem negativen Pol besitzt die Spule an 

der Schlussseite einen magnetischen Nordpol. 

Die Scheibenmagnete werden zusammen mit den breiten Polschuhen ohne Ansatz am 

Grundbrett befestigt, so dass die Magnete an den geschliffenen Flächen der Polschuhe 

anliegen. (Bei dieser Anordnung liegen die Scheibenmagnete am Grundbrett an!). Die breiten 

Polschuhe mit Ansatz werden in Verbindung mit den Spulen verwendet. 

Hinweise zur Handhabung: 

1. Die Achse des Grundbrettes soll erforderlichenfalls mit einem Lappen von eingedickten 

Ölrückständen befreit werden. Dann werden 1-2 Tropfen Nähmaschinenöl auf der Achse 

verteilt. 

2. Bei Generatorbetrieb wird das Grundbrett mit Hilfe der Tischklemme auf seiner 

Unterlage befestigt. Die Riemenscheibe des Rotors und die des Antriebs müssen in einer 

Ebene liegen und zwar so, dass der Treibriemen parallel zur Montageplatte des 

Grundbrettes verläuft. 

22 Leybold 563 37: Versuche mit den Elektro-Lehrmaschinen



3. Die Montage der Polschuhe mit den Scheibenmagneten bzw. mit den Spulen darf nur bei 

aufgesetzter Zentrierscheibe erfolgen. Man schiebt diese mit ihrem zylindrischen Ansatz 

zur Grundplatte hin auf die Achse auf. Die Polschuhe werden mittels der zugehörigen 

Schrauben so befestigt, dass ein möglichst großer Teil ihres inneren Randes die 

Zentrierscheibe so fest umschließt, dass diese nach beendeter Montage der Polschuhe mit 

spürbarem Widerstand von der Achse gezogen werden kann. 

Es ist notwendig, dass die Polschuhe verschiedene Polung haben, z. B. der obere einen 

Nordpol – der untere einen 

Südpol. Der rot gekennzeichnete 

Nordpol des oberen 

Scheibenmagneten muss in 

diesem Fall also gegen den 

Polschuh, der des unteren gegen 

die Eisenplatte am Grundbrett 

gerichtet sein. wird das 

Statorfeld elektromagnetisch 

erzeugt, so erreicht man die 

entsprechende Polung mit einer 

Schaltung nach nebenstehendem 

Bild a oder b. (Abbildung aus: 

23 ) 

4. Die Bürsten müssen besonders sorgfältig behandelt werden. Grundsätzlich sollte man sie 

von Zeit zu Zeit erneuern (insbesondere bei Verschleiß der Kohlen). Die sorgfältige 

Behandlung der Kohlen umfasst folgende Handgriffe: 

- Das Bürstenkabel sollte an eine der nächstliegenden Buchsen des Grundbrettes 

angeschlossen werden. 

- Die Bürsten dürfen nicht am Bürstenkabel aus den Bürstenbrücken herausgezogen 

werden. 

- Die Bürsten dürfen erst dann in die Halterungen eingesetzt werden, wenn die 

Bürstenbrücke auf den Rotor aufgesetzt ist. Vor dem Abnehmen der Bürstenbrücke 

müssen die Kohlen wieder aus ihr herausgenommen werden. 

- Die Kohlen haben nur dann guten Kontakt mit dem Kollektor des Rotors, wenn ihre 

Rundung der des Kollektors angepasst ist. Sobald die Kontaktfläche der Kohle nicht mehr 

einwandfrei ist, schleift man sie mit feinem Schmirgelpapier wieder glatt. 

5. Der Kollektor ist von Zeit zu Zeit mit feinem Schmirgelpapier zu säubern; die Nuten 

zwischen den Kupferlamellen sind mit einem schmalen Hölzchen oder mit einem 

Kartonstreifen auszukratzen. 

Die folgenden Versuche sind zur Durchführung für den Lehrer gedacht. Als Lehrer muss man 

folgende Punkte beachten bevor man die Versuche durchführt: 

Bevor man diese Versuche durchführt, muss man sich darüber informieren, ob die 

benötigten Materialien zur Verfügung stehen. 

Die angeführten Zeitangaben bei den Versuchen beziehen sich darauf, wenn der Lehrer 

den Versuch durchführt. Die Zeit, die für das Zusammensuchen der Materialien benötigt 

wird, ist jedoch nicht eingerechnet. 

23 Leybold 563 37: Versuche mit den Elektro-Lehrmaschinen, S. 16



Wir haben bei den Versuchen anstelle des Kleinspannungsstelltrafo ein Netzgerät 

verwendet. 

1. Versuch: „Selbsterregter Gleichstrom-Generator / Dynamoelektrisches Prinzip 

- Hauptschlussgenerator“ 

(Versuch und Abbildung entnommen aus: 24 ) 

Es soll ein Gleichstrom-Generator aufgebaut werden, bei dem die Gleichspannungsquelle zur 

Erregung des Feldes entbehrlich ist, wenn man das Feld mit dem Gleichstrom erregt, den der 

Generator selbst erzeugt. 


Material: 

1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und 2 Schrauben 

1 Tischklemme, Glühlampenfassung und Glühlampe 3,5 V 

2 Bürsten 

2 Spulen mit 250 Windungen 

2 breite Polschuhe mit Ansatz 

1 Trommelrotor 

1 Vorgelege mit Handantrieb 

1 Kleinspannungsstelltrafo 

1 Messgerät 

5 Experimentierkabel 

Anstelle der 3,5 V-Glühbirne haben wir eine 2,5 V-Glühbirne verwendet. 

24 BERNHARD, Martin: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 10 (1. Auflage (1977)) 

Wien. Versuch 10.3




Vorbereitung: Der Versuch wird gemäß obiger Abbildung aufgebaut. Zunächst wird die 

Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun werden die Spulen samt den 

breiten Polschuhen mit Ansatz mit je einer Schraube am Grundbrett so befestigt, dass die 

Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. Nach der 

Montage der Polschuhe werden die Spulen kurzzeitig einzeln an eine Gleichspannungsquelle 

von 2 – 3 Volt angeschlossen (rechte Buchse mit dem negativen Pol verbinden). Dann 

besitzen die Polschuhe den für die folgenden Versuche notwendigen Restmagnetismus. 

Anschließend ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Trommelrotor, befestigt den 

Keilriemen und zuletzt die Bürstenbrücke. Zum Schluss wird der Aufbau wie in der obigen 

Abbildung fertig gestellt (Bürsten einsetzen, Kabel einstecken, Voltmeter und Glühbirne 

anschließen). 

Wir haben bei diesem Versuch zur Magnetisierung der Spulen, diese an eine 

Gleichspannungsquelle mit 2 Volt angeschlossen. 

Versuchsdurchführung und Ergebnisse: 

Gemäß obiger Abbildung sind beim Hauptschlussgenerator die Feldspulen, der Rotor und der 

Verbraucher (Glühlämpchen) in Serie geschaltet. Wenn man am Vorgelege kurbelt, fließt der 

gesamte Rotorstrom durch die Spulen und auch das Glühlämpchen leuchtet. Das Voltmeter 

zeigte einen Spannungsabfall über dem Glühlämpchen bis zu 1 Volt an. 

Charakteristisch für diesen Generator ist, dass er sich nur bei geschlossenem äußeren 

Stromkreis erregen kann (nur, wenn das Glühlämpchen in den Stromkreis geschaltet wird). 

Die Spannung ist dann von der Belastung abhängig, und zwar ist bei starkem Feld (große 

Belastung) die Spannung höher als bei schwachem Feld (kleine Belastung). 

c) Zeit 

Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 15 Minuten (ohne 

Zusammensuchen der einzelnen Materialien). 


Werner von Siemens entdeckte das dynamoelektrische Prinzip: 

Die durch den Restmagnetismus sich ergebende Induktionsspannung am Kollektor wird den 

Feldspulen wieder zugeführt, was zu einer Verstärkung des Feldes führt. Dies hat wiederum 

eine erhöhte Induktionsspannung zur Folge, welche abermals das Feld verstärkt usw. Da das 

Polfeld des Generators mit einem von ihm selbst erzeugten Strom erregt wird, spricht man 

vom selbsterregten Generator. 

Siehe auch: Kapitel 5, Punkt 5 (Seite 12 unten): Das dynamoelektrische Prinzip und 

Kapitel 5, Punkt 5.1 (Seite 13): Hauptschlussmaschinen 


Wenn der Versuch nicht sofort funktioniert, muss man überprüfen, ob die Kabel richtig 

(laut Abbildung) eingesteckt sind.



Weiters sollte man die Bürsten überprüfen. Sie sollten sich immer der Rundung des 

Kollektors gut anpassen. Ansonsten muss man die Kohlen mit feinem Schleifpapier 

abschleifen. 

Vor allem in den Schulen hat man nicht immer neue Bürsten zur Verfügung. Da alte 

Kohlen durch häufiges Abschleifen oft dünn geworden sind, fallen diese aus dem 

Bürstenkopf heraus, wenn dieser senkrecht angebracht wird. Man braucht dann nur den 

Bürstenkopf waagrecht auf der Achse anbringen. 

Ein häufiger Fehler ist auch, dass man den Wicklungssinn der Spulen verwechselt und die 

Buchsen der Spulen falsch miteinander verbindet. 


Diesen Versuch kann man in der Schule gut durchführen, wenn man das dynamoelektrische 

Prinzip und die Hauptschlussmaschinen behandelt. 

2. Versuch: „Selbsterregter Gleichstrom-Generator / Dynamoelektrisches Prinzip 

- Nebenschlussgenerator“ 



Material: 


1 Tischklemme, Glühlampenfassung und Glühlampe 3,5 V 

2 Bürsten 






1 Messinstrument 


25 BERNHARD, Martin: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 10, ebda. Versuch 10.3



Anstelle der 3,5 V-Glühbirne haben wir eine 2,5 V-Glühbirne verwendet. 





Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. Nach der 

Montage der Polschuhe werden die Spulen kurzzeitig einzeln an eine Gleichspannungsquelle 

von 2 – 3 Volt angeschlossen (rechte Buchse mit dem negativen Pol verbinden). Dann 

besitzen die Polschuhe den für die folgenden Versuche notwendigen Restmagnetismus. 

Anschließend ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Trommelrotor, befestigt den 


Abbildung fertig gestellt. 

Wir haben bei diesem Versuch zur Magnetisierung der Spulen, diese an eine 

Gleichspannungsquelle mit 2 Volt angeschlossen. 


Gemäß obiger Abbildung sind beim Nebenschlussgenerator die Feldspulen, der Rotor und der 

Verbraucher (Glühlämpchen) parallel geschaltet. Wenn man am Vorgelege kurbelt, fließt nur 

ein Teil des Rotorstromes durch die Feldspulen und ein Teil durch das Glühlämpchen (es 

leuchtet). 

Die Erregung des Generators erfolgt auch bei offenem äußeren Stromkreis (wenn das 

Glühlämpchen herausgedreht wird). 

Die Spannung ist weitgehend unabhängig von der Belastung. 

c) Zeit 



d) Theoretischer Hintergrund



Siehe: Versuch 1, Punkt d (Seite 22) 

Siehe auch: Kapitel 5, Punkt 5 (Seite 12): Das dynamoelektrische Prinzip und 

Kapitel 5, Punkt 5.2 (Seite 14): Nebenschlussmaschinen 


Hier sind auch jene Punkte zu erwähnen, die bereits beim 1. Versuch (siehe Kapitel 6, S. 22f) 

angeführt wurden. 


- 

3. Versuch: „Hauptschlussmotor“ 


Man untersucht das Verhalten einer vom Gleichstrom durchflossenen Rotorspule in einem 

elektromagnetisch erregten Statorfeld, wenn Rotor und Polfeldspulen in Serie geschaltet sind. 


Material: 

1 Grundbrett mit 

Bürstenbrücke und 2 

Schrauben 

2 Bürsten 





1 Schiebewiderstand 11 


Angelschnur 

Wir haben anstelle des 

Schiebewiderstands mit 11 

einen Schiebewiderstand mit 

10 verwendet. 

(Bild 1 gehört zu Versuch 1 

und Bild 2 zu Versuch 2) 








Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. Anschließend 

ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Trommelrotor und befestigt die Bürstenbrücke. 

Zum Schluss wird der Aufbau wie in der obigen Abbildung fertig gestellt (Bürstenkabel und 

Experimentierkabel einstecken). Dabei ist darauf zu achten, dass man die Spulen so 

anschließt, dass die Polschuhe ungleichnamige Pole bilden (weiße Buchsen verbinden). 

Beachte: Der Trommelrotor wird über den Kollektor mit Strom versorgt. Bürstenstellung wie 

in der Abbildung.



Versuchsdurchführung: 

Versuch 1 (siehe Bild 1): Gemäß Bild 1 werden Stator und Rotor so in Serie geschaltet, dass 

der Rotor zwischen den beiden Statorspulen liegt. Nun wird die Gleichspannung von 0 Volt 

beginnend bis ca. 15 V gesteigert. Legt man über die Riemenscheibe eine Angelschnur und 

spannt sie mit der Hand, so wird dadurch der Motor belastet. 

Man polt die Spannungsquelle um und betrachtet den Rotor. 

Schließlich werden an den Feldspulen oder am Kollektor die Anschlüsse vertauscht. 

Versuch 2 (siehe Bild 2): Gemäß Bild 2 werden Stator und Rotor so in Serie geschaltet, dass 

der Rotor hinter den Feldspulen liegt (Spannung 15 V-). Der Widerstand von 10 Ohm wird 

regelbar und parallel zu den Feldspulen geschaltet. Dieser sei zunächst voll eingeschaltet. 

Man beobachtet den Rotor bei Veränderung des Widerstandes. 

Versuchsergebnisse: 

Versuch 1: Der gesamte Rotorstrom fließt durch die Feldspulen. Im Feld des so erregten 

Elektromagneten erfährt der Rotor ein Drehmoment. Die Drehzahl des Rotors hängt stark von 

der Belastung des Motors ab, da sich mit ihr die Stromstärke und damit das Magnetfeld des 

Stators ändert. Wenn man die Angelschnur stärker spannt, passt sich der Motor der Belastung 

an und dreht sich langsamer. Die im Rotor induzierte Gegenspannung wird bei größerer 

Belastung schon bei geringerer Drehzahl erreicht, sodass sich diese also der Belastung 

anpasst. Bei Leerlauf besteht die Gefahr des Durchgehens. Wenn man die Spannung am 

Kollektor erhöht, erhöht sich auch die Drehzahl des Motors (er ist mit der Angelschnur 

schwerer zu bremsen.) 

Wenn man die Bürsten oder Anschlüsse an den Feldspulen vertauscht, ändert sich die 

Drehrichtung. Sie ändert sich nicht, wenn man die Spannungsquelle umpolt, da hier Feld und 

Rotor gleichzeitig umgepolt werden. Daher läuft dieser Motor auch mit Wechselstrom. 

Versuch 2: Durch den parallelgeschalteten Widerstand kann das Statorfeld geändert werden, 

er dient also als Feldregler und verursacht eine Drehzahländerung. Bei Verringerung des 

Widerstandes steigt die Drehzahl! (Durch die Verringerung des Widerstandes wird das Feld 

geschwächt und die Drehzahl steigt, da die im Rotor induzierte Gegenspannung sinkt.) 

c) Zeit 

Für jeden der beiden Versuche benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 10 bis 15 

Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). 


Der theoretische Hintergrund ist unter anderem auf der vorigen Seite bei den 

Versuchsergebnissen angeführt. Weiters siehe unter: 

Kapitel 5, Punkt 5 (Seite 12): Das dynamoelektrische Prinzip und 

Kapitel 5, Punkt 5.1 (Seite 13): Hauptschlussmaschinen





angeführt wurden. Weiters kann ein Nichtfunktionieren des Versuchs auch darauf 

zurückzuführen sein, dass der Schiebewiderstand nicht funktioniert. 


Vor allem Versuch 1 ist gut geeignet, um ihn in der Schule durchzuführen. Man kann damit 

den Schülern klar machen, dass dies ein Motor ist, der auch mit Wechselstrom läuft. Weiters 

sieht man bei diesem Versuch sehr gut, wie sich der Motor der jeweiligen Belastung anpasst. 

4. Versuch: „Nebenschlussmotor“ 

(Versuch und Abbildung 

entnommen aus: 27 ) 

Man untersucht das Verhalten 

einer von einem Gleichstrom 

durchflossenen Rotorspule in 

einem elektromagnetisch erregten 

Statorfeld, wenn Rotor und 

Polfeldspulen parallel geschaltet 

sind. 


Material: 

1 Grundbrett mit Bürstenbrücke 

und 2 Schrauben 

2 Bürsten 





1 Schiebewiderstand 11 


Angelschnur 

Wir haben anstelle des 

Schiebewiderstands mit 11 

einen Schiebewiderstand mit 10 

verwendet. 

(Bild 1 gehört zu Versuch 1 und 

Bild 2 zu Versuch 2) 








Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. Anschließend 

ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Trommelrotor und befestigt die Bürstenbrücke. 

Zum Schluss wird der Aufbau wie in der obigen Abbildung fertig gestellt (Bürstenkabel und 

Experimentierkabel einstecken). Dabei ist darauf zu achten, dass man die Spulen so 

anschließt, dass die Polschuhe ungleichnamige Pole bilden (weiße Buchsen verbinden). 

Beachte: Der Trommelrotor wird über den Kollektor mit Strom versorgt. Bürstenstellung wie 

in der Abbildung. 

Versuchsdurchführung: 

Versuch 1 (siehe Bild 1): Gemäß Bild 1 sind die beiden hintereinander geschalteten 

Feldspulen parallel zum Rotor geschaltet. Nun wird die Gleichspannung von 0 Volt 

beginnend bis ca. 10 V gesteigert. Der Motor wird belastet, indem man eine über die 

Riemenscheibe gelegte Angelschnur mit der Hand spannt. 

Man polt die Spannungsquelle um und betrachtet den Rotor. Schließlich werden an den 

Feldspulen oder am Kollektor die Anschlüsse vertauscht. 

Versuch 2 (siehe Bild 2): Gemäß Bild 2 wird der Schiebewiderstand in Serie zu den 

Feldspulen geschaltet. Der Schiebewiderstand sei zunächst eingeschaltet. Man beobachtet den 

Rotor bei Veränderung des Widerstandes. 

Versuchsergebnisse: 

Versuch 1: Der Rotor und die Feldspulen liegen dauernd an der vollen angelegten Spannung. 

Im Feld des so erregten Elektromagneten erfährt der Rotor ein Drehmoment. Da die 

Feldspulen direkt an die Spannung angelegt sind, ändert sich der Strom bei Belastung nicht. 

Wenn man nun den Motor mit der Angelschnur belastet, ändert sich die Drehzahl nicht. Die 

Feldstärke bleibt konstant und damit auch die Drehzahl. Letztere ist also von der Belastung 

unabhängig. 

Wenn man die Bürsten (oder auch die Anschlüsse an den Feldspulen) vertauscht, ändert sich 

die Drehrichtung. Sie ändert sich nicht, wenn man die Spannungsquelle umpolt, da hier Feld 

und Rotor gleichzeitig umgepolt werden. Daher läuft dieser Motor auch mit Wechselstrom. 

Versuch 2: Durch den in Serie zu den Feldspulen geschalteten Widerstand (10 ) kann das 

Statorfeld geändert werden, er dient also als Feldregler und verursacht eine 

Drehzahländerung. Bei Vergrößerung des Widerstandes wird das Feld geschwächt und die 

Drehzahl steigt (der Motor läuft schneller), da die im Rotor induzierte Gegenspannung sinkt. 

c) Zeit 

Für jeden der beiden Versuche benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 10 bis 15 

Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien).




Der theoretische Hintergrund ist unter anderem auf dieser Seite bei den Versuchsergebnissen 

angeführt. Weiters siehe unter: 

Kapitel 5, Punkt 5 (Seite 12): Das dynamoelektrische Prinzip und 

Kapitel 5, Punkt 5.2 (Seite 14): Nebenschlussmaschinen 


Hier sind auch jene Punkte zu erwähnen, die bereits beim vorigen Versuch (3. Versuch 

„Hauptschlussmotor, S. 27) angeführt wurden. 


Anhand dieses Versuches kann man sehr gut zeigen, dass die Drehfrequenz eines 

Nebenschlussmotors unabhängig von der Belastung ist. Weiters ist es auch sehr lehrreich zu 

sehen, dass auch dieser Motor mit Wechselstrom läuft. 

5. Versuch: „Modell eines Synchronmotors“ 


Es wird gezeigt, dass sich eine Magnetnadel in einem mechanisch erzeugten Drehfeld 

synchron mitdreht. 


Material: 

1 Grundbrett mit 2 Schrauben 

1 Tischklemme 

1 Paar Scheibenmagnete 

2 breite Polschuhe ohne Ansatz 

1 Drehfeldlasche mit Lager 

1 Magnetnadel mit Lager 


Vorbereitung: Gemäß Abbildung 

wird die Drehfeldlasche so auf die 

Achse des Grundbrettes aufgesetzt, 

dass die vorstehende Lagerbuchse 

dem Brett zugewandt ist. Polschuhe und Magnete werden auf der Lasche festgeschraubt, 

wobei die Zentrierscheibe zur genauen Abstandhaltung eingesetzt werden muss. Zum Schluss 

wird die Magnetnadel mit Lager auf die Achse gesetzt. 

Versuchsdurchführung: Die Lasche wird mit der Hand in Rotation versetzt. 




Versuchsergebnisse: Die Magnetnadel läuft synchron mit der rotierenden Lasche mit. 

c) Zeit 




Die rotierende Lasche mit den Magneten am Ende stellt ein Drehfeld dar, in dem eine 

Magnetnadel synchron mitläuft. 

Siehe auch: Kapitel 5, Punkt 6 (Seite 14): Drehstrom und 

Kapitel 5, Punkt 6.4 (Seite 18): Drehstrommotor 


Dieser Versuch ist sehr einfach durchzuführen, es können kaum Fehler passieren. Man muss 

aber darauf achten, die Scheibenmagnete so anzuordnen, dass ein Magnetfeld erzeugt wird 

(an einem Ende der Lasche den Nordpol Richtung Grundbrett, am anderen Ende den Südpol). 


Wie bereits oben erwähnt, ist der Versuch einfach durchzuführen und sehr anschaulich, wenn 

man das System des Synchronmotors verständlich machen will. 

6. Versuch: „Drehstromgenerator“ 


Die Funktion eines Drehstrom-Außenpolgenerators wird gezeigt. 


Material: 


1 Tischklemme 

3 Bürsten 

1 Paar Scheibenmagnete 

2 breite Polschuhe ohne Ansatz 

1 Dreipolrotor 


3 Messinstrumente 






Vorbereitung: Der Generator wird gemäß obiger Abbildung aufgebaut. Zunächst wird die 

Zentrierscheibe auf die Achse des Grundbrettes geschoben. Nun werden die Scheibenmagnete 

samt den breiten Polschuhen ohne Ansatz mit je einer Schraube am Grundbrett so befestigt, 

dass die Abstände der Polschuhe von der Zentrierscheibe möglichst gleichmäßig sind. 

Anschließend ersetzt man die Zentrierscheibe durch den Dreipolrotor, befestigt den 


Abbildung fertig gestellt (Bürsten einsetzen, Kabel einstecken, Voltmeter anschließen). 

Die Messinstrumente werden zunächst als Spannungsmesser mit dem Messbereich von 3 V ~ 

geschaltet. Dann werden sie als Strommesser im Messbereich von 0,001A – verwendet. 


Die einfachste Anordnung zur Erzeugung eines dreiphasigen Wechselstromes bildet ein 

Dreipolrotor, der sich in einem Permanentmagnetfeld dreht. Je zwei Schleifringe des Rotors 

gestatten eine Abnahme von je einer Wechselspannung. Es soll gezeigt werden, dass die 

Effektivwerte der 3 Spannungen übereinstimmen, dass sie aber nicht phasengleich sind. 

Man schaltet jedes der Messinstrumente mit dem 3-V-Wechselspannungsbereich zwischen 

zwei Schleifringe. Es zeigt sich, dass die gemessenen Wechselspannungen gleich groß sind 

(Bei diesem Versuch haben wir je 1 V gemessen). 

Die Phasenverschiebung lässt sich nachweisen, wenn man das Vorgelege sehr langsam und 

gleichmäßig dreht und die Ströme auf dem 1 mA-Bereich der Messgeräte beobachtet. Die 

Ausschläge der Zeiger zeigen an, dass Wechselströme fließen, die ihr Maximum nicht 

gleichzeitig erreichen, die also phasenverschoben sind.



c) Zeit 




Siehe unter: Kapitel 5, Punkt 6 (Seite 14): Drehstrom und 

Kapitel 5, Punkt 6.1 (Seite 15): Drehstromgenerator 



angeführt wurden. Weiters muss man darauf achten, die Scheibenmagnete richtig 

anzubringen. Bei der Demonstration der Phasenverschiebung muss man das Vorgelege sehr 

langsam drehen, um diese auch tatsächlich wahrnehmen zu können. 


Da der Drehstromgenerator für die tatsächliche Stromerzeugung sehr wichtig ist, sollte man 

diesen Versuch wenn möglich in der Schule vorführen. 

7) Arbeitsblätter 

Dieses Protokoll enthält keine Arbeitsblätter zu den Versuchen, da die Versuche nicht zur 

Durchführung durch die Schüler gedacht sind. 

8) Anmerkungen 

Medien 

Zur Vermittlung des Stoffes können verschiedene Medien eingesetzt werden. Folien können 

mittels Overheadprojektor an die Wand projiziert werden. Wenn diese mit dem Computer 

erstellt wurden, können sie auch mittels Videobeamer an die Wand projiziert werden. Weiters 

wäre es interessant, aktuelle Informationen zum Thema Motor und Generator im Internet zu 

suchen und den Schülern mittels Videobeamer zu präsentieren. 

Folien 

Da es sich bei diesem Protokoll um das Versuchsprotokoll handelt, enthält es keine Folien. 

Bei der Gestaltung von Folien kann man sich jedoch am Lerninhalt (Kapitel 5) orientieren. 

Mitschrift der Schüler 

Bei der Mitschrift für die Schüler kann man sich ebenfalls am Kapitel 5 (Lerninhalt) 

orientieren. Eine genaue Ausführung der Mitschrift enthält dieses Protokoll ebenfalls nicht 

(da es sich um das Versuchsprotokoll handelt).



9) Literaturverzeichnis 

Fürnstahl, Wolfbauer, Becker, Obendrauf (1994). Physik heute 4 (für AHS). Linz: Veritas- 

Verlag 

Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler (1992). Physik 3 AHS. Wien: Verlag Hölder-Pichler-Tempsky 

Stütz, Uhlmann (1998). Von der Physik 3, Oberstufe. Wien: Verlag E. Dorner GmbH 

Jaros u. a. (2002). Basiswissen 3 neu. Wien: Verlag öbv & hpt 

Schreiner (1991). Physik 3, Oberstufe. Wien: Verlag Hölder-Pichler-Tempsky 

BERNHARD, Martin (1977). Experimente zur Schulphysik, Teilgebiete 9 – 11 (Induktion – 

Wechselstrom, Elektromaschinen, Transformator, Elektrizitätsleitung in Gasen). Wien 

Leybold 563 37. Versuche mit den Elektro-Lehrmaschinen

Lindenbauer - JKU

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?