Alles Wissenswerte über Elektromotoren
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Alles Wissenswerte über Elektromotoren Von TryEngineering - www.tryengineering.org Klicken Sie hier, um Ihr Feedback zu dieser Unterrichtseinheit abzugeben. Im Mittelpunkt dieser Lektion Elektromotoren: zu Grund liegende Prinzipien und alltäglicher Einsatz. Hinweis: Dieser Unterrichtsplan ist nur für den Einsatz im Klassenzimmer unter Aufsicht durch einen Lehrer vorgesehen, der sich mit Konzepten der Elektrik und Elektronik auskennt. Zusammenfassung dieser Lektion: Die Schüler und Schülerinnen lernen die Grundprinzipien des Elektromotors kennen und untersuchen seinen Einsatz im Alltag. Mit einem billigen Bausatz bauen sie ein funktionierendes Modell eines Elektromotors für den Gebrauch im Klassenzimmer. Dann beschließen Sie als ein „Team von Ingenieuren“, welche Änderungen sie an dem Motor vornehmen müssten, damit dieser als Antrieb für einen Haartrockner zu gebrauchen wäre. Altersstufen 10-18. Ziele Die Schüler und Schülerinnen sollen die Grundprinzipien des Elektromotors lernen. Die Schüler und Schülerinnen sollen die zu Grunde liegende Theorie auf den Gebrauch von Elektromotoren im Alltag anwenden. Die Schüler und Schülerinnen sollen ein funktionierendes Modell eines Elektromotors für den Gebrauch im Klassenzimmer bauen. Kompetenzerwartung Als Ergebnis dieser Aktivität sollten Schüler und Schülerinnen im Alter zwischen 10 und 14 Jahren ein Verständnis der folgenden Konzepte entwickeln: Prinzipien des Elektromotors Prinzipien des Magnetismus Prinzipien des elektrischen Stroms Außerdem sollten die Schüler theoretische Kenntnisse auf den Gebrauch von Elektromotoren im Alltag anwenden und ihr Wissen über Design und Betrieb von Motoren erweitern. Elektromotoren: Einführung Es folgt eine Übersicht über die Grundprinzipien eines Elektromotors: Magnete ziehen einander an und stoßen einander ab. Gleiche Pole stoßen einander ab, ungleiche Pole ziehen einander an. Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Stärke und Richtung des Magnetfelds hängen von der Stärke und Richtung des elektrischen Stroms ab. Durch einfaches Wickeln eines Drahts, durch den ein elektrischer Strom fließt, um einen Eisenstab entsteht ein Magnet, der ein- und ausgeschaltet werden kann. Stärke und Richtung der magnetischen Pole lassen sich durch Veränderungen der Stärke und Richtung des elektrischen Stroms leicht regeln. Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 1 von 11 Elektromotoren: Einführung (Fortsetzung) Überblick über die Grundprinzipien des Motors Prinzipien des Magnetismus Magnetismus ist eine Naturkraft, die sowohl anzieht als auch abstößt. Im Gegensatz zur Schwerkraft, die nur anziehende Wirkung hat und sich auf alle Objekte gleichermaßen auswirkt, können nur bestimmte Arten von Materialien magnetisiert werden, sodass sie eine magnetische Kraft ausüben, und auch nur bestimmte Materialien – meist Metalle wie Eisen und Nickel – werden von dieser Kraft beeinflusst. Wenn ein Objekt magnetisiert wird und selbst eine magnetische Kraft ausübt, wird es als Magnet bezeichnet. An jedem Ende eines Magneten befindet sich ein magnetischer Pol – der sog. Nordpol und der sog. Südpol. Gleiche Pole stoßen einander ab, ungleiche Pole ziehen einander an. Das bedeutet, dass ein Nordpol den Südpol eines anderen Magneten anzieht, dessen Nordpol aber abstößt; der Südpol wiederum zieht den Nordpol des anderen Magneten an, stößt aber dessen Südpol ab. Man kann sich die Erde als einen Riesenmagneten vorstellen, der somit einen nördlichen und einen südlichen magnetischen Pol hat; deshalb weist der Südpol eines kleinen Magneten (wie etwa die Spitze der Nadel eines Magnetkompasses) immer nach Norden. Die Magnetkraft um einen Magneten bildet ein magnetisches Feld. Dieses Feld besteht aus Kraftlinien, die vom Nordpol zum Südpol verlaufen. Wenn ungleiche Pole einander angenähert werden, vereinen sich ihre Kraftlinien; wenn aber gleiche Pole miteinander in Kontakt gebracht werden, stoßen die Kraftlinien einander ab. Elektromagnete Unter Wissenschaftlern war lange Zeit unklar, ob die anziehenden und abstoßenden Kräfte der Elektrizität und des Magnetismus miteinander verwandt sind. Im Jahr 1820 entdeckte der dänische Physiker Hans Christian Øersted, dass ein Draht, durch den elektrischer Strom fließt, ein Magnetfeld erzeugt. Durch einfaches Wickeln eines Drahtes, durch den dann Strom geleitet wird, um einen Eisenkern, entsteht ein starker magnetischer Effekt. Diese Vorrichtung wird als Elektromagnet bezeichnet. Später entdeckte der britische Wissenschaftler Michael Faraday, dass ein durch ein Magnetfeld verlegter Draht bewirkte, dass Strom durch ihn hindurchfließt. Dieses Phänomen wird als Induktion bezeichnet. Anwendung magnetischer und elektrischer Prinzipien auf das Motordesign Diese Entdeckungen führten zur Erfindung von Generatoren und Elektromotoren. Ein Generator wandelt Bewegung (die z. B. von einer Dampfmaschine, von Windenergie usw. erzeugt wird) in Elektrizität um. Ein Elektromotor dagegen wandelt Elektrizität wieder in Bewegung um. Beide Maschinen sind die Grundlage der modernen Erzeugung und Nutzung elektrischer Energie. Aktivitäten dieser Lektion Gliederung I. Einführungen II. Überblick über die Grundprinzipien des Motors A. Prinzipien des Magnetismus B. Elektromagnete C. Anwendung magnetischer und elektrischer Prinzipien auf das Motordesign III. Bau eines Motors IV. Jetzt bist du dran V. Unterrichtsideen VI. Fragen und Antworten VII. Lehrer-Feedback Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 2 von 11 Ressourcen/Materialien Ressourcendokumente für Lehrer (liegen bei) Preisgünstiger Bausatz eines Spielzeug-Elektromotors (erhältlich von Science First, +1 800-799-8301, www.sciencefirst.com). Siehe beiliegende Produktbeschreibung. Nicht im Kit enthaltene Materialien und Hilfsmittel: Sandpapier, transparentes Klebeband, Schere oder Drahtschere, Batterien, kleiner Schraubenzieher Abstimmung auf Lehrpläne Siehe das beiliegende Lehrplan-Abstimmungsblatt. Weiterführende Websites TryEngineering (www.tryengineering.org) IEEE Virtual Museum (www.ieee-virtual-museum.org); in englischer Sprache. International Technology Education Association Standards for Technological Literacy (www.iteawww.org/TAA/PDFs/ListingofSTLContentStandards.pdf); in englischer Sprache. McREL Compendium of Standards and Benchmarks (www.mcrel.org/standards-benchmarks) Eine absuchbare Zusammenstellung inhaltsbezogener Standards für Lehrpläne vom Kindergarten bis zur 12. Klasse. In englischer Sprache. Nationale Standards für die Wissenschaftsausbildung (www.nsta.org/standards); in englischer Sprache. Science First (Hersteller eines Spielzeugmotor-Bausatzes) (www.sciencefirst.com); in englischer Sprache. Literaturempfehlungen The Usborne Book of Batteries & Magnets (ISBN: 074602083X) (englisch) DK Eyewitness-Serie: Electricity (ISBN: 0751361321) (englisch) Janice VanCleave, Janice VanCleave's Physics for Every Kid: 101 Easy Experiments in Motion, Heat, Light, Machines, and Sound. John Wiley & Sons (ISBN: 0471525057) (englisch) Optionale Schreibaktivität Nenne Beispiele für Motoren, die bei dir zu Hause oder in der Schule verwendet werden. Schreibe einen Aufsatz (oder einen Absatz [für jüngere Schüler]) darüber, wie sich der Motor auf die Maschine auswirkt, in der er eingesetzt wird. Beispiel: Ein elektrischer Lüfter ohne einen Motor müsste auf irgendeine andere Weise in Bewegung versetzt werden, damit er Wind erzeugt. Quellen Ralph D. Painter, Douglas Gorham und andere freiwillige Mitarbeiter von der Florida West Coast USA Section des IEEE URL: http://ewh.ieee.org/r3/floridawc Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 3 von 11 Elektromotoren Für Lehrer: Abstimmung auf Lehrpläne Hinweis: Alle Unterrichtspläne dieser Serie sind mit den vom National Research Council der USA veröffentlichten und von der National Science Teachers Association unterstützten National Science Education Standards (Lernziele in den Naturwissenschaften) und darüber hinaus mit den Standards for Technological Literacy (Standards für technische Bildung) der International Technology Education Association abgestimmt. National Science Education Standards, 5. bis 8. Klasse (10-14 Jahre) INHALTSSTANDARD B: Naturwissenschaft Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten die Schüler und Schülerinnen ein Verständnis des Folgenden entwickeln: Bewegungen und Kräfte Energieübertragung INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlichen und sozialen Perspektiven Als Ergebnis dieser Aktivitäten sollten die Schüler und Schülerinnen ein Verständnis des Folgenden entwickeln: Risiken und Vorteile Wissenschaft und Technologie in der Gesellschaft INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Wesen der Wissenschaft Als Ergebnis dieser Aktivitäten sollten die Schüler und Schülerinnen ein Verständnis des Folgenden entwickeln: Geschichte der Wissenschaft National Science Education Standards, 9. bis 12. Klasse (14-18 Jahre) INHALTSSTANDARD B: Naturwissenschaft Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten die Schüler und Schülerinnen ein Verständnis des Folgenden entwickeln: Bewegungen und Kräfte Wechselwirkung zwischen Energie und Materie INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie Als Ergebnis dieser Aktivitäten sollten die Schüler und Schülerinnen Folgendes entwickeln: Fähigkeiten zu technologischen Designs Verständnis von Naturwissenschaft und Technologie INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Wesen der Wissenschaft Als Ergebnis dieser Aktivitäten sollten die Schüler und Schülerinnen ein Verständnis des Folgenden entwickeln: Historische Perspektiven Standards für technische Bildung - alle Altersstufen Technologie und Gesellschaft Standard 7: Die Schüler und Schülerinnen müssen ein Verständnis des Einflusses von Technologie auf die Geschichte entwickeln. Design Standard 10: Die Schüler und Schülerinnen müssen ein Verständnis der Funktion der Fehlersuche, der Forschung und Entwicklung, von Erfindungen und Innovationen und der Experimentierung bei der Problemlösung entwickeln. Die geplante Welt Standard 16: Die Schüler und Schülerinnen müssen ein Verständnis von Energieund Antriebstechnologien sowie die Fähigkeit zu deren Auswahl und Nutzung entwickeln. Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 4 von 11 Elektromotoren Für Lehrer: Ressourcen für Lehrer Hilfreiche Tipps für das Arbeiten mit dem Motorbausatz Das Wickeln der Feldspule ist viel einfacher, wenn die Feldpole vor dem Wickeln der Spule mit transparentem Klebeband an der Halterung befestigt werden. Das Wickeln des Ankers wird vereinfacht, wenn die beiden Ankerteile mit Klebeband aneinander geklebt werden. Nach dem Zusammenkleben der Ankerpolteile wird die Welle zwischen die Polteile geschoben. Die Position der Ankerpolteile an der Welle wird dann angepasst. Dazu wird der Anker einfach auf die Tragepfosten gelegt und die Ankerpolteile werden die Welle entlang geschoben, bis die Polteile mit den Feldpolen zur Deckung kommen. Das kleine Plastikröhrchen kann auf folgende Weise zu einem Distanzhalter zwischen der Ankerspule und dem Kommutator umfunktioniert werden: Schieben Sie den Kommutator nach dem Wickeln der Ankerspule vorübergehend auf die Welle. Legen Sie den Anker so auf die Tragepfosten, dass die Ankerpole mit den Feldpolen ausgerichtet sind. Schieben Sie den Kommutator die Welle entlang, bis er mit den Pfosten zur Deckung kommt, auf denen die Bürsten gelagert sind. Schneiden Sie ein kleines Röhrchen so zurecht, dass es zwischen die Ankerwicklungen und den Kommutator passt. Schieben Sie den Kommutator von der Welle herunter und schieben Sie das Röhrchen gegen die Ankerspule auf die Welle. Schieben Sie den Kommutator wieder auf die Welle, wobei Sie dieses Mal die Zuleitungsdrähte von der Ankerspule in den Kommutator einführen. Bei als losen Produkten in großen Mengen gekauften Motorbausätzen müssen die Bestandteile erst zu einzelnen Bausätzen sortiert werden. Durch Vorsortieren der Teile in kleinen Plastikbeuteln außerhalb der Klasse kann viel Zeit gespart werden. Nicht im Bausatz enthaltenes Material Sandpapier. Hierfür ist jede Art von Sandpapier oder Schmirgelleinen geeignet. Transparentes Klebeband. Zwar nicht unbedingt erforderlich, aber für den Zusammenhalt der Feld- und Ankerpolteile beim Wickeln der Spule sehr hilfreich. Schere oder Drahtschere. Batterien. Die im Bausatz enthaltenen Batteriekabelschuhe sind für Batterien des Typs Mignon (AA) vorgesehen. Ein sorgfältig zusammengebauter Motor läuft zwar auch mit einer einzigen, neuen Mignon-Batterie, doch führt die Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Mignon-Batterien (wodurch eine 3-V-Batterie entsteht) zu einem zuverlässigeren Betrieb. Es empfiehlt sich sogar, eine 6-V-Lampenbatterie zur Hand zu haben, die als Starthilfe für „launische“ Motoren dienen kann. Kleiner Schraubenzieher. Vorschläge für den Unterricht mit den Motorbausätzen Die Motorbausätze können auf vielerlei Art verwendet werden, wobei nur die Fantasie der Lehrer und Schüler den vielfältigen Möglichkeiten Grenzen setzt. Die folgenden Vorschläge sollen lediglich die Vorstellungskraft stimulieren. Niemand weiß besser als der Lehrer oder die Lehrerin, wie eine bestimmte Gruppe von Schülern auf eine bestimmte Lernchance reagieren wird. Der Einsatz eines Motorbausatzes kann sich völlig einfach gestalten, indem ein bereits zusammengebauter Motor auf dem Schreibtisch des Lehrers aufgestellt wird, um so die Neugier der Schüler und Schülerinnen zu wecken, oder er kann zu weiterführenden Aktivitäten anregen, z. B. zu Forschungsarbeiten oder zu der im Team zu lösenden Aufgabe, das Motordesign zu verbessern. In der Gebrauchsanleitung des Motorbausatzes findet sich eine Liste mit möglichen Experimenten. Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 5 von 11 Für Lehrer: Ressourcen für Lehrer (Fortsetzung) Die Motorbausätze eignen sich als Klassen- oder Laborübung in Elektromagnetismus für Realschüler oder Gymnasiasten. So können die Schüler beispielsweise aufgefordert werden, ihren Lehrer beim Zusammenbau eines Motorbausatzes zu beobachten. Daraufhin erhält jeder Schüler eine Gebrauchsanweisung und einen Bausatz für den Zusammenbau des Motors zu Hause. Jeder Schüler und jede Schülerin, die binnen einer Woche dem Lehrer einen funktionierenden Motor vorführt, erhält eine entsprechende Note. Die Schüler dürfen sich von ihren Eltern, Geschwistern oder Freunden helfen lassen. Da die Schüler und Schülerinnen an diesem Projekt selbst Hand anlegen, ist sichergestellt, dass sie ungeachtet des Ausmaßes der von ihnen bezogenen Hilfe etwas lernen. Dieses Projekt findet auch unter den Eltern meist positiven Anklang. Die Aktivität kann erweitert werden, indem jeder Schüler aufgefordert wird, in eigenen Worten eine Beschreibung der Funktionsweise des Motors niederzuschreiben. Mit etwas Übung kann der Motor in etwa 40 Minuten oder sogar noch schneller zusammengebaut werden. Die Schüler und Schülerinnen sind auf diesem Gebiet jedoch noch unerfahren und werden deutlich mehr Zeit benötigen. Sollte der Lehrer bzw. die Lehrerin beschließen, den Motor während des Unterrichts zusammenbauen zu lassen, kann das Projekt auf mehrere Einheiten verteilt werden. So kann beispielsweise der erste Tag eine kurze Erklärung der Übung und den Zusammenbau der Feldspule beinhalten. Der zweite Tag könnte dann dem Wickeln des Ankers vorbehalten sein, und am dritten Tag würden die Endmontage und der Probelauf des Motors erfolgen. Eine gute Folgeübung für besonders fähige Schüler und Schülerinnen wäre die Erforschung der Geschichte der Erfindung des Elektromotors. Bei einer entsprechenden Internetsuche würde man auf die Namen Oersted, Faraday, Henry, Page und Tesla stoßen. All diesen Männern aus Dänemark, England, den Vereinigten Staaten und Ungarn fiel bei der Erfindung und Entwicklung des Elektromotors eine bestimmte Rolle zu. Ein wichtiger, abschließender Schritt bei der Entwicklung des Elektromotors ist allerdings ganz und gar dem Zufall zuzuschreiben: Während der Weltausstellung in Wien im Jahr 1873 wurde ein stillstehender Dynamo zufälligerweise am einem zweiten, bereits laufenden Dynamo angeschlossen. Der spannungslose Generator wurde gestartet und lief wie ein Motor. Dieser Effekt wurde von Zenobe Theophile Gramme, dem Entwickler der fraglichen Dynamos, erkannt. Hans Christian Andersen und Hans Christian Oersted verband mehr als zwei gemeinsame Vornamen. Beide Männer lebten in der ersten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts in Dänemark und beide wurden berühmt. Hans Christian Andersen erwarb sich seinen Ruhm als der Autor von Märchen wie Das hässliche Entlein und Das Mädchen mit den Schwefelhölzern. Hans Christian Oersted wiederum wurde ein angesehener Wissenschaftler. Während einer Labordemonstration für eine Gruppe von Studenten bemerkte Oersted, dass ein in der Nähe befindlicher Kompass von dem Fluss des elektrischen Stroms in den Drähten beeinflusst wurde, die zu seinem Apparat führten. Im Juli 1820 veröffentlichte Oersted einen Aufsatz, in dem er diese Wechselwirkung zwischen Strom und Magnetismus beschrieb. Mit der Zeit wurden Andersen und Oersted zu guten Freunden. Andersen sollte einmal über Oersted schreiben, dass „sein Haus schon bald zu einem Heim für mich wurde; als sie noch sehr klein waren, habe ich mit seinen Kindern gespielt, sie aufwachsen sehen und mir ihre Liebe erhalten. In seinem Haus fand ich meine ältesten und stetesten Freunde.“ Behalten Sie diese Tatsachen zunächst für sich und fordern Sie Ihre Schüler und Schülerinnen auf, Nachforschungen über beide Männer anzustellen und über ihre Ergebnisse zu berichten, um zu sehen, ob sie die Verbindung zwischen ihnen entdecken können. Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 6 von 11 Für Lehrer: Ressourcen für Lehrer (Fortsetzung) Anwendungen dieser Art von Elektromotor Der Spielzeugmotor-Bausatz ist ein Beispiel eines „Universalmotors“, der so genannt wird, weil er sowohl mit Gleichstrom (DC) als auch mit Wechselstrom (AC) läuft. Diese Art von Motor wird auch als Reihenschlussmotor bezeichnet, weil die Ankerwicklung mit der Feldwicklung in Reihe verbunden ist. Der Reihenschlussmotor verfügt über keine besonders gute Drehzahlregelung, weil die Motordrehzahl bei einer Steigerung der Last von Leerlauf bis zu Volllastdrehzahl deutlich schwankt. Allerdings erzeugt der Reihenschlussmotor bei fallender Drehzahl ein höheres Drehmoment und kann für einen Betrieb bei sehr hohen Drehzahlen entwickelt werden. Dank dieser Eigenschaften kann der Motorenentwickler eine hohe Leistung in ein relativ kleines Paket integrieren. Es folgt eine Zusammenstellung typischer Anwendungsbeispiele für den Reihenschlussmotor: Küchenmixer Küchenmaschinen Handelektrowerkzeuge, z. b. Bohrer, Kreis- und Gattersägen, Hobel und Schleifmaschinen Fahrzeug-Startermotoren Elektrische Haartrockner Elektrorasierer mit rotierenden Schermessern Bahnmotoren für elektrische Diesellokomotiven, elektrische Züge und U-Bahn-Züge Golfwägen und Elektrofahrzeugmotoren Elektrische Rollstuhlmotoren Robotermotoren Staubsauger Daneben gibt es auch andere Arten von Elektromotoren, in erster Linie WechselstromInduktionsmotoren. Praktisch alle Arten von Elektromotoren beruhen jedoch auf den Kräften der Anziehung und Abstoßung zwischen Elektromagneten, wie sie im Reihenschlussmotor ersichtlich sind. Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 7 von 11 Elektromotoren Für Lehrer: Bausatzbeschreibung/Bestellanleitung Spielzeugmotorbausatz von Science First Fragen und Bestellungen: Telefon: 1-800-799-8301; Internet: www.sciencefirst.com • Bauen Sie einen echten, funktionierenden Motor, der weniger kostet als eine Scheibe Pizza • Auch in praktischen Klassenpackungen erhältlich • Unser meistverkauftes Produkt seit über 40 Jahren • Für Pfadfindergruppen, „Jugend forscht“-Wettbewerbe und mehr • Überarbeitete Anleitung mit vom Computer erzeugten Montagediagrammen Alles, was Sie brauchen, um einen funktionierenden Gleichspannungsmotor zu bauen und etwas über seine Bestandteile aus der Innenperspektive zu lernen! Zum Zusammenbau gehören das Wickeln Ihres eigenen Ankers und der Feldspule, der Bau des Kommutators aus zwei ineinander einrastenden Teilen, das Einbauen der Bürsten in die Löcher in der Grundplatte und das Einsetzen einer Batterie in die Batteriekabelschuhe. Dies ist kein übersimplifiziertes Technikspielzeug mit ein paar schäbigen Teilchen, das Sie einmal anpacken und dann wegwerfen. Dieser smarte Bausatz wird seit über 40 Jahren verwendet, um Kindern ab 10 Jahren wichtige Konzepte beizubringen. So gehört zu unseren Kunden beispielsweise der Lehrer Del Brown von der Burley Junior High School in Burley, Idaho, der schon seit unseren Anfangsjahren mit diesem Bausatz arbeitet. Inhalt des Bausatzes: Kupferdrahtspule, Kunststoff-Grundplatte mit Löchern für die einzelnen Komponenten, Feldpole, Ankerkern, Bürsten, alle Befestigungsteile und eine detaillierte, bebilderte Montageanleitung mit 8 Experimenten. Sie brauchen eine Mignon-Batterie (AA). Exklusiv von Accent! Wir können uns das nicht als eigenes Verdienst anrechnen – die Idee stammte von einem Professor bei Case Western Reserve. Unsere unsortierten lehrerfreundlichen Spielzeugmotor-Großpackungen enthalten genügend Teile für 30 bzw. 48 Schüler (einschl. Ersatzteilen). Wir können diese zu einem besonders günstigen Preis anbieten, weil wir nur halb so viele Gebrauchsanleitungen beipacken, sodass sich jeweils 2 Schüler eine Anleitung teilen müssen. Preise: (Hinweis: Die aktuellen Preise finden Sie auf der Website von Science First: www.sciencefirst.com) Bestellcode 10-135 10-136 10-137 10-138 Bezeichnung Größe Spielzeugmotor-Bausatz Spielzeugmotor-Bausatz Spielzeugmotor-Bausatz Spielzeugmotor-Bausatz Materialpreis Stck: $4.95 12er Pack: $55.00 36-er Pack, lose: $789.95 48-er Pack, lose: $139.95 Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 8 von 11 Elektromotoren Ressource für Schüler: Einführung in Elektromotoren Grundprinzipien des Elektromotors Magnete ziehen einander an und stoßen einander ab. Gleiche Pole stoßen einander ab, ungleiche Pole ziehen einander an. Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Stärke und Richtung des Magnetfelds hängen von der Stärke und Richtung des elektrischen Stroms ab. Durch einfaches Wickeln eines Drahts, durch den ein elektrischer Strom fließt, um einen Eisenstab entsteht ein Magnet, der ein- und ausgeschaltet werden kann. Stärke und Richtung der magnetischen Pole lassen sich durch Veränderungen der Stärke und Richtung des elektrischen Stroms leicht regeln. Prinzipien des Magnetismus Magnetismus ist eine Naturkraft, die sowohl anzieht als auch abstößt. Im Gegensatz zur Schwerkraft, die nur anziehende Wirkung hat und sich auf alle Objekte gleichermaßen auswirkt, können nur bestimmte Arten von Materialien magnetisiert werden, sodass sie eine magnetische Kraft ausüben, und auch nur bestimmte Materialien – meist Metalle wie Eisen und Nickel – werden von dieser Kraft beeinflusst. Wenn ein Objekt magnetisiert wird und selbst eine magnetische Kraft ausübt, wird es als Magnet bezeichnet. An jedem Ende eines Magneten befindet sich ein magnetischer Pol – der sog. Nordpol und der sog. Südpol. Gleiche Pole stoßen einander ab, ungleiche Pole ziehen einander an. Das bedeutet, dass ein Nordpol den Südpol eines anderen Magneten anzieht, dessen Nordpol aber abstößt; der Südpol wiederum zieht den Nordpol des anderen Magneten an, stößt aber dessen Südpol ab. Man kann sich die Erde als einen Riesenmagneten vorstellen, der somit einen nördlichen und einen südlichen magnetischen Pol hat; deshalb weist der Südpol eines kleinen Magneten (wie etwa die Spitze der Nadel eines Magnetkompasses) immer nach Norden. Die Magnetkraft um einen Magneten bildet ein magnetisches Feld. Dieses Feld besteht aus Kraftlinien, die vom Nordpol zum Südpol verlaufen. Wenn ungleiche Pole einander angenähert werden, vereinen sich ihre Kraftlinien; wenn aber gleiche Pole miteinander in Kontakt gebracht werden, stoßen die Kraftlinien einander ab. Elektromagnete Unter Wissenschaftlern war lange Zeit unklar, ob die anziehenden und abstoßenden Kräfte der Elektrizität und des Magnetismus miteinander verwandt sind. Im Jahr 1820 entdeckte der dänische Physiker Hans Christian Øersted, dass ein Draht, durch den elektrischer Strom fließt, ein Magnetfeld erzeugt. Durch einfaches Wickeln eines Drahtes, durch den dann Strom geleitet wird, um einen Eisenkern, entsteht ein starker magnetischer Effekt. Diese Vorrichtung wird als Elektromagnet bezeichnet. Später entdeckte der britische Wissenschaftler Michael Faraday, dass ein durch ein Magnetfeld verlegter Draht bewirkte, dass Strom durch ihn hindurchfließt. Dieses Phänomen wird als Induktion bezeichnet. Anwendung magnetischer und elektrischer Prinzipien auf das Motordesign Diese Entdeckungen führten zur Erfindung von Generatoren und Elektromotoren. Ein Generator wandelt Bewegung (die z. B. von einer Dampfmaschine, von Windenergie usw. erzeugt wird) in Elektrizität um. Ein Elektromotor dagegen wandelt Elektrizität wieder in Bewegung um. Beide Maschinen sind die Grundlage der modernen Erzeugung und Nutzung elektrischer Energie. Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 9 von 11 Elektromotoren Ressource für Schüler: Geschichte des Elektromotors Die meisten Leute würden sagen, dass sie nicht jeden Tag einen Elektromotor zu sehen bekommen, im Gegensatz etwa zu einer Glühlampe oder zu einem Telefon. Elektromotoren sind nämlich etwas ganz anderes. Sie sind einfachere Vorrichtungen, wie man sie in zahlreichen Elektrogeräten findet. Der Zweck eines Motors besteht darin, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Er konvertiert Elektrizität zu Energie, die wir dann nutzen können. Ein funktionierender Elektromotor braucht Magnetismus und elektrischen Strom. Es muss zwischen zwei Arten von Motoren unterschieden werden: Wechselstrom (DC)-Motoren und Gleichstrom (DC)-Motoren. In diesen Motorarten kommen die gleichen Teile wie im einfachen Elektromotor zum Einsatz, aber zwei verschiedene Arten von Strom. Nähere Informationen über Wechsel- und Gleichstrom sind auf der Seite über die Stromerzeugung zu finden. Die Geschichte der Motoren beginnt mit Elektromagneten. 1831 baute Michael Faraday den ersten elektrischen Motor. Zur gleichen Zeit experimentierte Joseph Henry ebenfalls mit Motoren. Henry und Faraday gelten heute als die Konstrukteure der ersten experimentellen Elektromotoren. 1837 arbeitete Charles Grafton Page an Verbesserungen des Elektromotors und entwickelte sein eigenes Modell. 1997 stellte Nikola Tesla den Wechselstrom (AC)-Motor vor. Bis dahin hatten alle anderen Motoren mit Gleichstrom gearbeitet. Wechselstrommotoren sind jetzt einfacher zu verwenden als Gleichstrommotoren. Heute werden Motoren überall eingesetzt, in Autos und einer Reihe von Haushaltsgeräten. Auch wenn viele nicht erkennen, was er alles tut, ist der Elektromotor doch zu einer äußerst nützlichen Erfindung geworden. (Quelle: ThinkQuest-Bibliothek: www.thinkquest.org/library – in englischer Sprache) Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 10 von 11 Elektromotoren Schülerarbeitsblatt: Du bist der Ingenieur! Anleitung Baue den Motorbausatz zusammen, der an dich ausgeteilt wurde. Aufgabe Du bist Teil eines Teams von Ingenieuren, dem die Aufgabe gestellt wurde, den von euch zusammengebauten Motor so zu verbessern, dass er als sicherer Antrieb eines Haartrockners dienen kann. Macht euch im Team Gedanken zum derzeitigen Design und lasst euch drei Veränderungen am Motor einfallen, die ihr empfehlen würdet. Denkt daran, dass Haartrockner häufig in der Nähe von Wasser oder an nassem Haar verwendet werden. Erster Schritt: Fragen: 1. Habt ihr in eurem neuen Motordesign irgendwelche Materialien ausgetauscht? Wenn ja, dann erklärt, warum ihr diese anderen Materialien empfehlt. 2. Habt ihr eurem neuen Motordesign irgendwelche neuen Teile hinzugefügt? Wenn ja, dann erklärt, warum ihr diese neuen Teile empfehlt. 3. Habt ihr den Maßstab, also die Größe, eures Motors geändert? Wenn ja, dann erklärt, warum ihr diese Maßstabsänderung empfehlt. 4. Glaubt ihr, dass die Änderungen, die ihr als Team empfehlt, einen teureren Motor zur Folge haben würden? Wie würde sich das auf die Kosten des Haartrockners auswirken? Zweiter Schritt: Stellt das neue Design eures Teams der ganzen Klasse vor und besprecht, was ihr gelernt habt, indem ihr den Prozess der Verbesserung oder Anpassung eines bestehenden Produkts nachvollzieht. Elektromotoren Entwickelt von IEEE als Teil von TryEngineering www.tryengineering.org Seite 11 von 11
