Aus- und Weiterbildung

Physik - Elektromotoren (für 14- bis 16-Jährige)

Welche Rolle spielt Kupfer?

Kupfer ist ein hervorragender elektrischer Leiter. Deshalb wird es in so vielen elektrischen Geräten eingesetzt, so auch in Elektromotoren. 

Wir verwenden Elektromotoren im Haus, im Garten und am Arbeitsplatz. Hier einige Einsatzbereiche für Elektromotoren:
• Elektrischer Aufzug: Ein Elektromotor bewegt den Aufzug nach oben und unten. Ein weiterer öffnet und schließt die Türen.
• Auto: In Autos befinden sich mehrere Elektromotoren. Der Starter setzt den Verbrennungsmotor in Gang. Andere Motoren bewegen die Scheibenwischer. Heute haben die meisten Autos Elektromotoren, die die Fenster heben und senken und sogar die Außenspiegel einstellen.
• Elektrolok: Eine Elektrolok hat einen starken Motor, der sie antreibt.

In diesem Abschnitt sehen wir uns an, wie Elektromotoren funktionieren und wie ihr Wirkungsgrad erhöht werden kann. 

Warum dreht sich ein Motor?

Ein Blick ins Innere

Wenn wir den Motor zerlegen, sehen wir, wie er aufgebaut ist. In ihm befinden sich die folgenden Bauteile: 

• Spule: Die Spule besteht aus Kupferdraht, weil Kupfer ein hervorragender elektrischer Leiter ist. Er wird auf einen Anker gewickelt. Die Spule wird ein Elektromagnet, wenn ein Strom durch sie hindurch fließt.

• Anker: Der Anker hält die Spule und kann helfen, den Elektromagneten stärker zu machen. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Motors.

• Dauermagneten: Der Motor enthält zwei Dauermagneten. Sie erzeugen ein ständiges Magnetfeld, sodass die Spule sich dreht, wenn ein Strom in ihr fließt. Manche Motoren besitzen Elektromagneten anstelle der Dauermagneten. Sie werden aus noch mehr Windungen von Kupferdraht hergestellt.

• Kommutator: Jedes Ende der Spule ist an eine der beiden Hälften des Kommutators angeschlossen. Der Kommutator wechselt die Kontakte bei jeder halben Umdrehung.

• Bürsten: Die Bürsten liegen am Kommutator an. Sie bleiben in Kontakt mit dem Kommutator während er sich dreht. Der Strom fließt durch die Bürsten in den Motor und wieder hinaus.

• Stahlspulenkörper: Der Spulenkörper aus magnetischem Material verbindet die beiden Dauermagneten und macht sie zu einem einzigen hufeisenförmigen Magneten. In gewerblichen Motoren kommen häufig Hufeisenmagnete zum Einsatz.

Wie funktioniert der Motor?

Der Motor ist mit einer Batterie verbunden. Wird der Schalter geschlossen, beginnt der Strom zu fließen und die Spule wird zu einem Elektromagneten. In diesem Fall fließt der Strom oben in der Spule entgegen dem Uhrzeigersinn. Dadurch wird die Oberseite ein Nordpol. Dieser Nordpol wird vom Südpol an der linken Seite angezogen. Deshalb dreht sich die Spule nach links. Die Unterseite der Spule dagegen ist ein Südpol und wird vom Magneten auf der rechten Seite angezogen. 

Befindet sich die Spule in aufrechter Position, wirkt keine Drehkraft auf sie ein, weil das elektromagnetische Feld der Spule sich an den Dauermagneten ausgerichtet hat. Wenn der Strom in der Spule konstant wäre, würde die Spule in dieser Stellung stehenbleiben. Um sie jedoch am Drehen zu halten, unterbricht der Kommutator den Kontakt in dieser Stellung. Der Strom stoppt also für einen Augenblick. Der Schwung der Spule sorgt dafür, dass sie sich weiterdreht und die Kontakte wieder verbunden werden, jetzt allerdings anders herum: So wird die Seite der Spule, die ein Südpol war, nun zum Nordpol.

Der Kommutator wechselt die Kontakte nach jeder halben Umdrehung (wenn die Spule sich in aufrechter Stellung befindet. Auf diese Weise dreht sich der Motor immer weiter.

Motoreffekt

Der Elektromotoreffekt sorgt dafür, dass sich ein Motor dreht. Wir können das an einem einzelnen Stück Kupferdraht beobachten.

Elektrisches Katapult

Sehen wir uns einmal dieses Bild an. Es zeigt ein loses Stück Kupferdraht auf zwei Schienen. Das lose Drahtstück befindet sich zwischen den Polen eines Magnets. Die Schienen sind mit einer Stromquelle verbunden. Was geschieht, wenn wir den Strom einschalten? 

Der Draht wird nach rechts katapultiert. Das Magnetfeld brachte ihn in Bewegung, aber erst, als ein elektrischer Strom im Draht geflossen ist.

Welche Richtung?

Das Magnetfeld verläuft vom Nordpol des Magneten zu seinem Südpol. Das Feld verläuft im rechten Winkel zum Strom. Diese Aufstellung erzeugt die größte Kraft und bewegt den Draht von der Stelle. 

Ein Strom in einem Draht im rechten Winkel zu einem Magnetfeld erzeugt eine Kraft, die auf den Draht einwirkt.

Wohin bewegt er sich?

Der Draht bewegt sich im rechten Winkel sowohl zum Magnetfeld als auch zum Strom. Als Gedächtnisstütze kann „Fleming's Left Hand Motor Rule" dienen, für die man allerdings ein wenig Englisch können sollte. Wir halten die linke Hand wie in der Zeichnung dargestellt. Die drei Finger stellen die drei beteiligten Elemente dar:

• First finger = Field (Zeigefinger = Feld) 
• SeCond finger = Current (Mittelfinger = Strom)
• ThuMb = Motion (Daumen = Bewegung)

So kommt es zur Drehbewegung

Einen Motor können wir auf dieselbe Weise verstehen. Wenn der Strom durch die Spule fließt, 

• wird die eine Seite der Spule nach oben gedrückt,
• während die andere Seite nach unten gedrückt wird.

Diese beiden Kräfte zusammen führen dazu, dass sich die Spule um ihre Achse dreht.

Wann muss die Stromrichtung geändert werden?

Wenn die Spule sich in der aufrechten Stellung befindet, wirkt keine Drehkraft auf sie, die versucht, sie zu drehen. Die beiden Kräfte versuchen, die beiden Seiten der Spule nach außen zu ziehen. An diesem Punkt wechselt der Kommutator die Kontakte. 

Wenn die Spule sich bereits dreht, trägt sie ihr Drehmoment über die aufrechte Position hinweg. Wenn der Kontakt wiederhergestellt ist, hat der Kommutator die Stromrichtung verändert. Deshalb wird die Seite der Spule, die vorher nach oben gezogen wurde, jetzt nach unten gezogen. Und umgekehrt.

Deshalb dreht sich die Spule in derselben Richtung weiter.

Energie optimal nutzen

Elektromotoren werden heiß im Betrieb. Das ist Energieverschwendung. Wir wollen, dass Motoren etwas bewegen, und nicht, dass sie als Heizkörper dienen!

Energieumwandlung

Wir versorgen einen Elektromotor mit elektrischer Energie. Ein effizienter Motor wandelt die meiste Energie in kinetische Energie um (nützliche Arbeit). Nur ein kleiner Bruchteil wird verschwendet, weil er die Umgebung aufheizt. Das lässt sich anhand eines Sankey-Diagramms zeigen. Die Stärke der Pfeile stellt die Menge jeder Art von Energie dar. 

Energie geht verloren, wenn der elektrische Strom durch die Spulen des Motors fließt. Die Drahtspulen haben einen elektrischen Widerstand. Je größer der Widerstand, desto schwieriger ist es für den Strom, zu fließen, und desto mehr Energie wird verschwendet.

Für Motorspulen ist Kupfer ein gut geeignetes Metall:

• Es weist einen geringeren Widerstand als die meisten anderen Metalle auf.
• Es lässt sich einfach zu Drähten verarbeiten.
• Es ist nicht zu teuer.
• Es verträgt eine hohe Temperatur
• Es lässt sich einfach wiederverwerten, wenn der Motor ausgetauscht wird. 

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