Ausführliche Erklärung zum Elektromotor - Forscherland-bw

Schwierigkeitsgrad: *Thema: ElektrodynamikKosten: ca. 15 €Bauzeit: ca. 3 hElektromotor

ElektromotorHeutzutage kommen Elektromotoren in fast allen elektrischen Geräten mit sich bewegenden Teilenvor. Allein in einem Auto können bis zu 90 Elektromotoren eingebaut sein. In diesem Experimentkannst du mit einfachsten Mitteln und ein wenig Geduld einen funktionierenden Elektromotorbauen.Bauanleitung:Die Bauanleitung für den Elektromotor besteht aus folgenden Teilen:1. Die Bauanleitung.2. Die zu der Bauanleitung gehörenden Bilder.Versuche:1. Halte bei laufendem Motor einen kleinen Nagel aus Eisen an einen der Nagelköpfe, die miteiner Spule umwickelt auf dem Brett befestigt sind. Was beobachtest du?2. Schalte den Motor ab und halte erneut den Nagel an einen der großen Nagelköpfe. Wasbeobachtest du jetzt?3. Wie kann man den Motor schneller oder stärker machen?2

Erklärung:Ein Elektromotor erzeugt aus elektrischer Energie mechanische Arbeit. Er besteht aus zweiGrundelementen:dem beweglichen Teil, dem Rotor vom lateinischen „rotare“ = kreisen und dem unbeweglichen Teil, den man als Stator bezeichnet, vom lateinischen „Stator“ =der StehendeDurch Anlegen eines elektrischen Stromes werden im Rotor periodisch Magnetfelder erzeugt. Dieseversetzen den Rotor in Bewegung und der Elektromotor läuft.In einem Elektromotor sind ein oder mehrere Elektromagnete aktiv. Um zu verstehen, wie einElektromotor arbeitet, lohnt es sich daher, die Funktionsweise eines Elektromagneten näher zubetrachten.Im Jahre 1819 entdeckte ein dänischer Physiker namens Hans Christian Ørsted, dass einstromdurchflossener Draht ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt. Formt man den Draht zu einerSpule, kann man ein Magnetfeld erzeugen, das dem Magnetfeld eines Stabmagneten ähnelt – mitdem Vorteil, dass sich das Feld ein‐ und ausschalten lässt.3

Befindet sich in der Spule zusätzlich ein Stab aus Eisen, wird das Magnetfeld in diesem geführt undverstärkt. Im Bild ist in ein Teil der Feldlinien abgebildet, die bei einer stromdurchflossenen Spule undbei einem Permanentmagneten entstehen. Je mehr Wicklungen die Spule aufweist und je stärker derdurchfließende Strom ist, desto stärker wird das Magnetfeld.In einem ringförmig geschlossenen Stück Eisen, das an einer Seite von einer Spule umwickelt ist,werden die geschlossenen Magnetfeldlinien im Kreis herumgeführt.Die Feldlinien laufen im Eisen entlang, vergleichbar dem Strom in einem Stromkreis. Man sprichtdaher auch von einem magnetischen Kreis. Ein Luftspalt innerhalb eines magnetischen Kreises wirktaber als magnetischer Widerstand und schwächt das Magnetfeld.Der Stator eines Elektromotors ist ein feststehender Magnet, dessen Nord‐ und Südpol denbeweglichen Rotor beinahe berühren. Dieser Magnet kann aus einem Permanentmagneten odereinem Elektromagneten bestehen.Im Rotor wiederum befindet sich ebenfalls ein Elektromagnet. Damit der magnetische Widerstanddurch den Luftspalt so gering wie möglich wird, versucht man den Motor so zu konstruieren, dasssich Stator und Rotor so nahe wie möglich kommen.Auf diese Weise wird der magnetische Kreis des Statormagnets nur durch zwei enge Luftspalteunterbrochen. Eine optimale Bauweise ist in der Abbildung gezeigt, man schaut dabei von vorne aufden Motor. In der Mitte befindet sich der Rotor, links und rechts der Statormagnet. Der Rotor siehtvon vorne ein bisschen wie zwei sich gegenüber liegende Anker aus. Der Magnet des Rotors wird4

daher auch als Anker bezeichnet. Übrigens ist im Firmenlogo der Firma Bosch genau ein solcherAnker abgebildet.Würde man diesen Motor anschalten, dann richteten sich die Magnete aus, der magnetische Kreiswäre geschlossen – und der Motor stände still.Es fehlt also noch ein wichtiges Element.Dieses Bauteil ist der Kommutator, vom lateinischen „commutare“ = vertauschen. Er sorgt dafür,dass das Magnetfeld der Ankerwicklung im richtigen Moment umgepolt wird. Dann wird der Magnetder Ankerwicklung vom Statorpol abgestoßen und kann sich weiterdrehen.In diesem Experiment findet man den Kommutator in Form der beiden Stromabnehmerwicklungenan der Seite des Rotornagels. Bei jeder Umdrehung des Ankers wird die Richtung des Magnetfeldeseinmal umgepolt.In richtigen Elektromotoren sind mehrere Ankerwicklungen untergebracht und der Kommutatorbesitzt viele Abnehmerpole. Dadurch rotiert die Achse des Motors gleichförmiger.In der Vergrößerung der linken Abbildung erkennt man, dass der Stromkreis über diestromzuführenden Drähte geschlossen ist. Der Stromfluss durch die Ankerspule wird dabei durch dengelben gewundenen Pfeil symbolisiert. Aufgrund des Stromes hat sich ein Magnetfeld im Ankeraufgebaut.Im zweiten Bild ist der Anker weiterrotiert und der Stromkreis ist jetzt offen. Das Magnetfeld bautsich langsam ab, weil kein Strom mehr fließt.Im dritten Bild ist der Stromkreis wieder geschlossen, der Strom läuft diesmal aber in die andereRichtung durch die Spule. Dadurch polt sich das Magnetfeld um und der Anker stößt sich vom Statorab – eine neue Umdrehung beginnt.5

Der Elektromotor in diesem Experiment funktioniert auf dieselbe Weise, nur dass hier der Stromzusätzlich durch die Statorspule fließen muss.Der Strom fließt dabei aus der Batterie durch die Statorspule zum ersten Abnehmer, von dort in dieAnkerwindung und durch den zweiten Abnehmer zurück zur Batterie.Links:Elektromotoren in Aktion (Applets und Videos):http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09_g8/musteraufgaben/02magnetkraft/e_motor/doppel_t_l.htmhttp://www.zum.de/dwu/depotan/apem105.htmDas Video eines trickreich gebauten Minimotors findet sich auf Youtube unter Eingabe des Suchworts„Unexplained Phenomenon – Simplest Electric Motor“:http://www.youtube.com/watch?v=VhaYLnjkf1E6