Elektromotor - Forscherland-bw

 Elektromotor Schwierigkeitsgrad: * Thema: Elektrodynamik Kosten: ca. 15 € Bauzeit: ca. 3 h Elektromotor Heutzutage kommen Elektromotoren in fast allen elektrischen Geräten mit sich bewegenden Teilen vor. Allein in einem Auto können bis zu 90 Elektromotoren eingebaut sein. In diesem Experiment kannst du mit einfachsten Mitteln und ein wenig Geduld einen funktionierenden Elektromotor bauen. 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 mit einer 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. Was beobachtest 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 zwei Grundelementen:  dem beweglichen Teil, dem Rotor vom lateinischen „rotare“ = kreisen  und dem unbeweglichen Teil, den man als Stator bezeichnet, vom lateinischen „Stator“ = der Stehende Durch Anlegen eines elektrischen Stromes werden im Rotor periodisch Magnetfelder erzeugt. Diese versetzen den Rotor in Bewegung und der Elektromotor läuft. In einem Elektromotor sind ein oder mehrere Elektromagnete aktiv. Um zu verstehen, wie ein Elektromotor arbeitet, lohnt es sich daher, die Funktionsweise eines Elektromagneten näher zu betrachten. Im Jahre 1819 entdeckte ein dänischer Physiker namens Hans Christian Ørsted, dass ein stromdurchflossener Draht ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt. Formt man den Draht zu einer Spule, kann man ein Magnetfeld erzeugen, das dem Magnetfeld eines Stabmagneten ähnelt – mit dem 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 und verstärkt. Im Bild ist in ein Teil der Feldlinien abgebildet, die bei einer stromdurchflossenen Spule und bei einem Permanentmagneten entstehen. Je mehr Wicklungen die Spule aufweist und je stärker der durchfließende 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 spricht daher auch von einem magnetischen Kreis. Ein Luftspalt innerhalb eines magnetischen Kreises wirkt aber als magnetischer Widerstand und schwächt das Magnetfeld. Der Stator eines Elektromotors ist ein feststehender Magnet, dessen Nord‐ und Südpol den beweglichen Rotor beinahe berühren. Dieser Magnet kann aus einem Permanentmagneten oder einem Elektromagneten bestehen. Im Rotor wiederum befindet sich ebenfalls ein Elektromagnet. Damit der magnetische Widerstand durch den Luftspalt so gering wie möglich wird, versucht man den Motor so zu konstruieren, dass sich Stator und Rotor so nahe wie möglich kommen. Auf diese Weise wird der magnetische Kreis des Statormagnets nur durch zwei enge Luftspalte unterbrochen. Eine optimale Bauweise ist in der Abbildung gezeigt, man schaut dabei von vorne auf den Motor. In der Mitte befindet sich der Rotor, links und rechts der Statormagnet. Der Rotor sieht von vorne ein bisschen wie zwei sich gegenüber liegende Anker aus. Der Magnet des Rotors wird 4 daher auch als Anker bezeichnet. Übrigens ist im Firmenlogo der Firma Bosch genau ein solcher Anker abgebildet. Würde man diesen Motor anschalten, dann richteten sich die Magnete aus, der magnetische Kreis wäre 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 Magnet der Ankerwicklung vom Statorpol abgestoßen und kann sich weiterdrehen. In diesem Experiment findet man den Kommutator in Form der beiden Stromabnehmerwicklungen an der Seite des Rotornagels. Bei jeder Umdrehung des Ankers wird die Richtung des Magnetfeldes einmal umgepolt. In richtigen Elektromotoren sind mehrere Ankerwicklungen untergebracht und der Kommutator besitzt viele Abnehmerpole. Dadurch rotiert die Achse des Motors gleichförmiger. In der Vergrößerung der linken Abbildung erkennt man, dass der Stromkreis über die stromzuführenden Drähte geschlossen ist. Der Stromfluss durch die Ankerspule wird dabei durch den gelben gewundenen Pfeil symbolisiert. Aufgrund des Stromes hat sich ein Magnetfeld im Anker aufgebaut. Im zweiten Bild ist der Anker weiterrotiert und der Stromkreis ist jetzt offen. Das Magnetfeld baut sich langsam ab, weil kein Strom mehr fließt. Im dritten Bild ist der Stromkreis wieder geschlossen, der Strom läuft diesmal aber in die andere Richtung durch die Spule. Dadurch polt sich das Magnetfeld um und der Anker stößt sich vom Stator ab – eine neue Umdrehung beginnt. 5 Der Elektromotor in diesem Experiment funktioniert auf dieselbe Weise, nur dass hier der Strom zusätzlich durch die Statorspule fließen muss. Der Strom fließt dabei aus der Batterie durch die Statorspule zum ersten Abnehmer, von dort in die Ankerwindung 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.htm
http://www.zum.de/dwu/depotan/apem105.htm Das Video eines trickreich gebauten Minimotors findet sich auf Youtube unter Eingabe des Suchworts „Unexplained Phenomenon – Simplest Electric Motor“: http://www.youtube.com/watch?v=VhaYLnjkf1E www.jobfit.jugendnetz.de > Technik & Wissenschaft
© KommLern EXPERIMENTE der Landesvereinigung Kulturelle Jugendbildung (LKJ) Baden-Württemberg e.V.,
Autor: Daniel Kunert
Entstanden im Rahmen des Projekts "KommLern!" der Jugendstiftung Baden-Württemberg mit
Unterstützung des Landes Baden-Württemberg und des Europäischen Sozialfonds.
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