Demonstrationsgeräte

Mit dem Bandgenerator (oben links) und der Influenzmaschine (oben rechts) aus dem Physikunterricht erklären wir einige der Elektrotechnik zugrunde liegende naturwissenschaftliche Effekte und mit dem dem Drehstrom-Demonstrationsmodell (oben mitte) erklären wir die grundlegenden Eigenschaften unserer heutigen Energieversorgung

In diesem Teilgebiet der Elektrischen Energietechnik präsentieren wir im TMK Geräte, an die sich vor allem einige ältere, aber auch zahlreiche jüngere Besucher noch aus dem Physikunterricht vor Jahrzehnten bzw. einigen Jahren erinnern, jüngste Besucher jedoch vor allem staunen. So z. B. den Bandgenerator oder die Influenzmaschine zur Erzeugung hoher Spannungen bis etwa 70.000 Volt und bei trockener warmer Luft auch darüber. Und wir erklären anhand unserer modellhaften Wechselstromübertragung über "weite" Entfernungen, warum sich der Gleichstrom nach anfänglichem Siegeszug ab etwa 1880 ab dem Übergang vom 19. zum 20. Jahrhundert nicht durchsetzen konnte und – mittels oben mittig dargestellten DS-Demonstrationsmodells – eine Drehstromversorgung überall in der Welt aufgebaut wurde.

Und so können wir am Beispiel unserer Heimatstadt Kassel erläutern, warum aufgrund der gut fünf Kilometer Entfernung des ersten Kraftwerkstandorts Neue Mühle an der Fulda (gegenüber Bergshausen) von der Innenstadt eine Kombination aus Wechselstrom in der Erzeugung und Weiterleitung in die Stadt und Gleichstrom in der innerstädtischen Verteilung realisiert wurde, diese damit für die nächsten Jahrzehnte die Kernstadt versorgte und erst ab 1911 das dritte Kraftwerk Kassels in den Lossewiesen die außenliegenden Stadtteile Kassels mit Drehstrom, also den drei miteinander verketteten Wechselströmen versorgen konnte.

Alle Geräte verdanken wir als Dauerleihgabe zur Erfüllung unserer Bildungsaufgaben speziell im MINT-Bereich dem gemeinnützigen VDE-Bezirksverein Kassel e.V., der kurz nach Gründung unseres TMK-Trägervereins in 2005 dem TMK e.V. als korporatives Mitglied beitrat und ihn seit dieser Zeit mit Rat und Tat unterstützt.

Text und Bilder: Wolfgang Dünkel, TMK und VDE Kassel

(last update 06.03.2021)

Wechselstrom-Übertragung

Gleich- und Wechselspannungsquelle zur Demonstration der Übertragung elektrischer Energie auf größere Entfernungen

Elektrizität allgemein war weitaus länger bekannt als vor ihrer Nutzung für die öffentliche Versorgung ab etwa 1880 und wurde auch einige Jahrzehnte früher genutzt, jedoch in deutlich geringerem Umfang. Hier ein deutlich abgekürzter Blick in die Geschichte gegenüber dem im TMK über QR-Code ladbarem Artikel "Gleichstrom und Wechselstrom – ihre Geschichte":

Das Elektron, von altgriechisch ἤλεκτρον (élektron = Bernstein), an dem als Namensgeber die Elektrizität in Form der Elektrostatik wie beim im TMK ausgestellten Bandgenerator nachweislich erstmalig beobachtet wurde, ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. Bewegt sich dieses in Leitern wie Kupfer oder Aluminium sowie in Halbleitern wie Silizium spricht man von elektrischem Strom. Mit der nicht aufladbaren Batterie, auch als Primärzelle oder Primärbatterie bezeichnet, begann die eigentliche Nutzung des elektrischen Stroms in Form des Gleichstroms. Werner v. Siemens kombinierte das von ihm 1866 entdeckte dynamoelektrische Prinzip mit dem bereits 1831 von Michael Faraday entdeckten Induktionsprinzip: In einem durch ein magnetisches Feld bewegten metallischen Leiter, also einem Draht, wird eine Spannung induziert. Diese Spannung kann z. B. eine angeschlossene Glühlampe zum Leuchten bringen. Hier wurde mechanische Bewegungsenergie in nutzbare elektrische Energie umgewandelt.

Bandgenerator nach van-de-Graaff

Van-de-Graaff-Bandgenerator zur Erzeugung hoher Spannungen

Ein Bandgenerator ist eine Apparatur zur Erzeugung sehr hoher elektrischer Gleichspannungen. Er wurde nach dem amerikanischen Physiker Robert Van de Graaff benannt, der ab 1929 Bandgeneratoren entwickelte. Der Bandgenerator zählt zu den elektrischen Generatoren und wandelt mechanische in elektrische Energie um, allerdings mit sehr geringem Wirkungsgrad. Er ist neben weiteren Geräten das am häufigsten für physikalische Lehrexperimente verwendete Gerät zur Hochspannungserzeu-gung.

Elektrische Ladungen werden auf dem Band durch Reibungselektrizität (Abrollen des Bandes von der unteren Rolle) erzeugt und mit diesem in die Hohlkugel transportiert. Dort werden sie über den im Inneren befindlichen Steg an die Kugel abgegeben. Entscheidend ist dabei, dass das Innere der Kugel wie ein Faradayscher Käfig feldfrei ist, so dass sich die elektrischen Kräfte an jedem Punkt kompensieren. Dann können die transportierten Ladungen auch bei großer Ladung der Kugel in ihrem Inneren leicht an sie abgegeben werden.

Drehstrom-Demonstrationsmodell

Die Elektrizitätsversorgung entwickelte sich in Europa und den USA mit zwei großen Erfindungen:

dem dynamoelektrischen Prinzip, also der Nutzung des Restmagnetismus (Remanenz) in einem Gleichstrom-Generator, durch Werner von Siemens in Berlin im Jahr 1866/67 und fast zeitgleich durch Ch. Wheatstone in England,
der Konstruktion einer brauchbaren Glühlampe durch Thomas Alva Edison, "begnadeter Vermarkter" mit dem bis heute üblichen Edison-Gewinde in 1879 in den USA.

Den Durchbruch zum "Erfolgsmodell Drehstrom" brachte – nach Vorarbeiten von Nikola Tesla in Zusammenarbeit mit George Westinghouse über ein- und zweiphasigen Wechselstrom in den USA – die Erfindung des Chefelektrikers der 1883 gegründeten DEG und späteren AEG, des in Darmstadt Elektrotechnik studierten Michael Ossipowitsch von Dolivo-Dobrowolsky. Er entwickelte bis zum März 1889 den dreiphasigen "Drehstrom-Asynchonmotor mit Kurzschlussläufer", wie wir ihn demnächst bei den Elektromotoren im Sammlungsgebiet Elektrische Energietechnik vorstellen.

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