Der Strom für alle

28.01.2021

Die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips

Infografik der Siemens AG zum Dynamoelektrischen Prinzip von Siemens
Werner von Siemens hat viele Erfindungen gemacht. Eine der weitreichendsten für die Elektrotechnik war die kommerzielle Nutzung des dynamoelektrischen Prinzips (Bildquelle: Siemens AG)

Im Deutschen Museum in München befindet sich ein Ausstellungsstück, das erscheint auf den ersten Blick so unaufregend, dass man es beim Schlendern durch die Ausstellungsräume gern einmal übersieht. Dabei hat die von Werner von Siemens im Jahr 1866 entwickelte Dynamomaschine wohl ohne Übertreibung die Welt verändert. Die auf Elektromagneten und Weicheisenjoch beruhende Apparatur benutzt der Erfinder, um das u.a. vom ihm entdeckte dynamoelektrische (oder auch elektrodynamische) Prinzip zu demonstrieren, mit dem sich ohne den bis dahin üblichen Einsatz von Permanent- bzw. Dauermagneten Strom erzeugen lässt. Werner Siemens, der erst im Jahr 1881 den Adelstitel verliehen bekommt, ist sich der Reichweite seiner Erfindung durchaus bewusst. An seinen Bruder schreibt er: „Die Effekte müssten bei richtiger Konstruktion kolossal werden. Die Sache ist sehr ausbildungsfähig und kann eine neue Ära des Elektromagnetismus einleiten.“

Tüftler und Visionär

Was also ist das Besondere an der Entdeckung Siemens? Schließlich ist er nicht der Erste, der dem dynamoelektrische Prinzip auf die Spur kommt. 1851 gelingt es dem ungarischen Physiker und Mönch eines Benediktinerordens Ányos Jedlik erstmals die Stromerzeugung mit einer elektrischen Maschine ohne Permanent­magnet. 1854 macht es ihm der Däne Søren Hjorth nach und meldet sogar im selben Jahr für seine Entdeckung das Patent an.

Es dauert dann allerdings noch weitere zwölf Jahre – Siemens hat inzwischen mit dem Feinmechaniker Johann Georg Halske die Telegraphen-Bauanstalt von Siemens & Halske in Berlin gegründet - bis Werner Siemens 1866 in seinem Labor die Idee wieder aufgreift und das volle Potenzial des Prinzips erkennt. Er ist es schließlich auch, der es weiter verfeinert und für den kommerziellen Einsatz vorbereitet. Die kleine, unscheinbare Apparatur mausert sich in den kommenden Jahren vom Demonstrator zum Generator, der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Der Strom für Jedermann – zu jener Zeit noch eine Utopie – scheint plötzlich realisierbar.

In Europa gehen die Lichter an

Bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts ist die Versorgung eines Haushalts mit Energie noch eine höchst individuelle Angelegenheit. Um es warm zu haben, kommt als Heizmaterial so ziemlich alles in Frage, was brennt und Wärme liefert. Holz, Torf, Holzkohle, Wachs, Öl, Talg oder Wal-Tran – all das wandert in Öfen oder Lampen. Eine zentrale und für jedermann verfügbare Energieversorgung existierte zu diesem Zeitpunkt noch nicht. Bewegung in dieses Thema bringt Friedrich Albert Winzer, dem deutschen Pionier der Gasbeleuchtung, der im Jahre 1807 die ersten Gaslaternen an der Pall Mall in der City of Westminster in London zum Leuchten bringt.

Die neue Straßenbeleuchtung strahlt nicht nur angenehm gelb, sie scheint auch heller als das vormals eingesetzte Petroleum. Betrieben werden die Laternen mit einer (hochgiftigen) Gasmischung, die nun zentral durch das Vergasen von Kohle erzeugt und über Röhren in die Laternen gelangt. 1810 gibt das britische Parlament sein Okay zur Gründung der ersten Gasgesellschaft, der Chartered Company, und bereits neun Jahre später reihen sich in London 50.000 Gaslampen über eine 486 Kilometer lange Gasleitung. In Deutschland gehen im Jahr 1823 auch auf dem Berliner Prachtboulevard Unter den Linden die gasbetriebenen Lichter an. Gas erleuchtet von nun an aber nicht nur öffentliche Straßen und Plätze, es lässt sich auch zum Heizen, zum Kochen und zum Antrieb von Motoren verwenden. Letztere verfügen allerdings anfangs über einen nur sehr geringen Wirkungsgrad.

Strom ersetzt Gas: Faraday entdeckt die elektromagnetische Induktion

In der Zwischenzeit forscht in England der Experimentalphysiker Michael Faraday zu Phänomenen der Elektrizität. Dabei verfolgt er u.a. die Idee, die Funktion eines Elektromagneten, der mit Hilfe von Strom ein Magnetfeld erzeugt, umzudrehen. Er hofft, auf diese Weise Strom zu gewinnen. Als er ein Stück stark elektrisch leitendes Kupfer durch ein Magnetfeld führt, erkennt er, dass sich auf diese Weise eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugen lassen. Dieses Phänomen kommt dadurch zustande, dass die Bewegung des elektrischen Leiters den magnetischen Fluss im Permanentmagneten ändert, es entsteht ein elektrisches Feld. Faraday hat die elektromagnetische Induktion entdeckt  und damit die prinzipielle Voraussetzung geschaffen, um mechanische in elektrische Energie umzuwandeln.

Schemazeichnung der Stromerzeugung nach dem dynnmoelektrischen Prinzip
Schemazeichnung des selbsterregenden Generators von Werner von Siemens

Die ersten in den 1830er Jahren aufkommenden Generatoren arbeiten wie Faraday in seinen Versuchen mit relativ schwachen Permanentmagneten. Diese sind schon damals deutlich teurer als Eisen und Kupfer und für die Erzeugung großer Strommengen, wie sie in Kraftwerken benötigt werden, einfach ungeeignet. Magnetelektrische Maschinen bedienen sich ebenfalls der elektromagnetischen Induktion, arbeiten aber statt mit Permanent- mit leichteren Elektromagneten, die aus einer Spule und einem Weicheisenkern bestehen. Auf diese Weise setzt sich in den 1840er Jahren für den Betrieb der Straßenbeleuchtung eine interessante Alternative durch: Statt mit dem hochgiftigen Gasgemisch lassen sich Bogenlampen nun mit Strom betreiben. Einziger Nachteil: Zum Betrieb der Elektromagneten benötigt man wieder eine elektrische Spannung, die mit Batterien erzeugt werden muss, weshalb man in diesem Fall auch von fremderregten Generatoren spricht.

Selbsterregt und damit effizient

1866. Berlin. Die Telegraphen-Bauanstalt von Siemens & Halske ist nach rasanten Höhen und Tiefen inzwischen zu einem stattlichen Unternehmen mit mehr als 300 Mitarbeitern angewachsen. Werner Siemens sinnt über eine ökonomische und praktikable Umsetzung des von Faraday entdeckten Prinzips nach und tüftelt an einer Dynamomaschine ohne Permanentmagneten. Er entdeckt, dass der Eisenkern von Elektromagneten gar keine kontinuierliche Stromversorgung benötigt, um ihn zu magnetisieren. Siemens nutzt vielmehr das Restmagnetfeld der Eisenkerne, um in einem Generator eine kleine Spannung und damit einen kleinen Strom zu erzeugen. Dieser Strom wiederum verstärkt das Magnetfeld und sorgt für eine größere Induktionsspannung sowie einen größeren Induktionsstrom. Der erste selbsterregte Generator ist geboren. Ihm zugrunde liegt das elektrodynamische Prinzip, womit das gegenseitige Aufschaukeln von Magnetfeld, Induktionsspannung und Induktionsstrom gemeint ist. Siemens meldet seine Erfindung umgehend zum Patent an und präsentiert sie auf der Weltausstellung 1867.

Der zunächst entwickelte Versuchsträger, der heute im Deutschen Museum in München zu sehen ist, hat eine Leistung von ca. 25 Watt und einen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent. Als Unternehmer, technikbegeisterter Erfinder und Visionär gibt sich Werner Siemens aber damit nicht zufrieden. Er sieht das Potenzial in der von ihm gemachten Erfindung und verbessert seine Apparatur kontinuierlich. Schließlich steigen die Leistungen in den Kilowatt-Bereich. Der Nutzung von Elektrizität zur zentralen Energieversorgung steht nun nichts mehr im Weg. Der Strom gelangt mittels Leitungsdrähten vom Kraftwerk zum Verbraucher. Einer der ersten, der von der neuen Kraftwerkstechnik restlos begeistert ist, ist übrigens der Bayernkönig Ludwig II. Er lässt 1878 mit den Siemens-Generatoren das erste Elektrizitätswerk der Welt zur Beleuchtung der künstlich angelegten Venusgrotte auf Schloss Linderhof errichten. Das Zeitalter der nutzbaren Elektrizität – es hat begonnen.

Die allgemeine Verfügbarkeit von Strom verändert die Welt

Werner Siemens hat mit seiner Erfindung die Starkstromtechnik revolutioniert und den Grundstein für die moderne Elektrotechnik gelegt. Seine Idee, als Alternative zu den Dauermagneten deutlich günstigeres Eisen zu magnetisieren, indem man den Eisenkern mit einem Kupferdraht umwickelt und diesen dann bestromt, hat die Welt verändert. In einem atemberaubenden Tempo tritt die Energietechnik einen Siegeszug an und läutet die zweite industrielle Revolution ein. 1879 präsentiert von Siemens & Halske auf der Berliner Gewerbeausstellung die erste elektrische Eisenbahn der Welt. Es folgen die erste ständige Straßenbeleuchtung Berlins, Beleuchtungsanlagen für Bahnhöfe, Geschäftshäuser und andere Unternehmen. 1880 konstruiert Werner Siemens den ersten elektrischen Personenaufzug, im Jahr darauf stellt das Unternehmen Siemens & Halske die erste elektrische Straßenbahn für Berlin vor.

155 Jahre nach seiner Entdeckung ist das dynamoelektrische Prinzip aus der Kraftwerkstechnik nicht mehr wegzudenken. Heute kommen allerdings bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Dauermagneten vermehrt zum Einsatz. Sie erreichen ihren maximalen Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen und eignen sich damit insbesondere für den Bau von großen Windkraftanlagen ohne Getriebe. Der bereits von Siemens beschriebene Nachteil aber bleibt, denn für die Herstellung der Magnete werden seltene Erden benötigt, deren Gewinnung häufig mit erheblichen Umweltbelastungen einhergeht.

Eine interessante, interaktive und mehrteilige Animation zum Leben und Schaffen Werner von Siemens gibt es übrigens auf der Webseite von Siemens. Hier entlang [...]

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