Ein einfaches Modell eines Elektromotors (Teil 1).
0) Was ist ein Motor / Elektromotor?
Motor kommt vom lateinischen movere, movi, motus = bewegen. Ein Motor ist also ein Gerät, das etwas bewegt oder antreibt.
Im Auto ist der Motor meist ein Benzin- oder Dieselmotor, beide zusammen nennt man auch Verbrennungsmotoren.
In ihnen wird ein Treibstoff "verbrannt" und die darin gespeicherte Energie in die Bewegungsenergie des Motors umgewandelt.
Ein Elektromotor benötigt zum Antrieb elektrische Energie, die er in Bewegungsenergie umwandelt.
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Elektromotoren, die sich auch in ihrer Funktion etwas unterscheiden.
Wir wollen hier nur das grundsätzliche Prinzip erläutern.
Dazu musst du zunächst gar nicht viel wissen, wir beginnen mit einem einfachen Linearmotor aus Dauermagneten, das Modell wird dann erweitert und verfeinert, bis wir beim "richtigen" Elektromotor sind.
Die Grundidee, den Elektromotor so zu erklären, stammt von der Experimenta in Heilbronn.
Schaue dir die Animationen genau an und lies auch unbedingt die kurzen Texte dazu.
1) Grundlagen über Dauermagnete.
Ein Dauermagnet hat an seinen Enden Pole. Dort sind die magnetischen Kräfte besonders stark.
Man unterscheidet den Nordpol (N - rot) und den Südpol (S - grün). Die Namen kommen daher, dass ein Magnet, wenn man ihn aufhängt, sich wie ein Kompass im Magnetfeld der Erde ausrichtet. Der Pol, der dabei dann nach Norden deutet, wird dann Nordpol genannt.
Untersucht man die Kräfte zwischen den Polen, so findet man folgende Gesetzmäßigkeit:
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Die einander gegenüberstehenden Pole "heißen" verschieden, haben also "verschiedene Namen" (Nordpol und Südpol). Man spricht von ungleichnamigen Polen. Ungleichnamige Pole ziehen sich an. |
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Die einander gegenüberstehenden Pole "heißen" gleich, haben also "gleiche Namen" (Nordpol und Nordpol bzw. Südpol und Südpol) Man spricht von gleichnamigen Polen. Gleichnamige Pole stoßen sich ab. Beachte die Richtungen der blauen Kraftpfeile. |
2) Ein einfacher linearer Magnetmotor.
Links und rechts sind zwei Stabmagnete, die fixiert sind. Sie können sich nicht bewegen.
Dazwischen ist ein dritter Stabmagnet, der sich bewegen kann.
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Was für eine Bewegung wird der mittlere Magnet machen? |
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Sein Südpol wird vom Südpol des linken Magneten abgestoßen, |
3) Der Richtungswechsel beim Magnetmotor.
Wie bekommt man den mittleren Magneten dazu umzudrehen und wieder nach links zurück zu laufen, so dass er sich ständig hin und her bewegt?
Dazu muss man ihn umdrehen / umpolen! Was dann passiert, siehst du hier!
So ein Umdrehen / Umpolen von Hand ist natürlich extrem mühsam.
Wir würden die Magnetpole gerne "automatisch" von einem "Umpoler" tauschen lassen.
3) Ein elektrischer Stabmagnet.
Eine Spule besteht aus vielen Windungen Draht. Fließt durch sie ein Strom, so erzeugt sie um sich herum ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erinnert in seinem Verlauf an das eines Stabmagneten.
Man bekommt so praktisch einen Stabmagneten, den man leicht umpolen oder abschalten kann.
Mehr zum Thema erfährst du auch auf diesen Seiten über den Elektromagnetismus
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Ändert man die Stromrichtung in der Spule, so ändert sich auch die Richtung des Magnetfeldes (vgl. Abbildung links). Beim Pluspol der Quelle muss nicht unbedingt der Nordpol des Magneten entstehen, das hängt vom Wicklungssinn der Spule ab. Auf alle Fälle ändern sich aber die Magnetpole an den Enden der Spule, wenn man die Stromrichtung umkehrt. |
4) Die Rolle des Polwenders / Kommutators.
Wie die Bewegung dann für den linearen Elektromotor aussieht, siehst du hier.
Das Umpolen der Spannungsquelle und damit die Änderung der Stromrichtung übernimmt ein sogenannter Polwender oder Kommutator.
Achte auf die Polung der Spannungsquelle an der Spule!
Nun bewegen sich Elektromotoren ja nicht linear, sie machen eine Drehbewegung.
Diese Seite sollte nur das Grundprinzip erläutern und die Rolle des Kommutators erklären.
Wie ein richtiger Elektromotor dann funktioniert, erfährst du auf der nächsten Seite
Ein einfaches Modell eines Elektromotors (Teil2).