(Kräfte im Magnetfeld).

4.3 Kräfte im Magnetfeld
Ein sehr beeindruckendes und dennoch einfaches Experiment in dem die, in einem magnetischen
Feld wirkenden Kräfte, gezeigt werden können ist der sog. einfachste Elektromotor der Welt. Dieser
besteht aus vier Teilen, einer Batterie, einer Schraube, einem kurzen Kabel und einem starken
Permanentmagneten.
Einen derartigen Motor kann man sehr leicht zu Hause nachbauen. Entsprechend starke und vor
allen Dingen leitfähige Magnete können im Internet günstig erworben werden. Im folgenden Kapitel
soll geklärt werden wie der einfachste Elektromotor der Welt funktioniert.
Hierzu betrachten wir zunächst die einzelnen Bauteile des Motors: Die verwendete Batterie ist eine
handelsübliche 1,5V Batterie. Die an der Batterie anliegende Spannung treibt den elektrischen Strom
durch das Kabel, den Magneten und die Schraube. Das Kabel wird verwendet um den Minus-Pol der
Batterie mit dem Magneten zu verbinden. Die einzelnen Kupferdrähte am Ende des Kabels dienen als
Schleifkontakt, ohne den eine Drehung des Magneten bei gleichzeitigem Stromfluss nicht möglich
wäre. Die hier verwendete Metallschraube verbindet den Magneten mit der Batterie. Das
Magnetfeld des Magneten ist so stark, dass es die Schraube an der Batterie festhält. Die Spitze der
Schraube dient als reibungsarmes Lager des Motors. Würde man den Permanentmagneten direkt an
der Batterie befestigen, so könnte sich dieser nicht drehen.
Die Ursache der Drehung ist jedoch mit den bisherigen Kenntnissen nicht erklärbar. Es ist zu
vermuten, dass der elektrische Strom in Kombination mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten
die Drehung verursacht. Um den einfachsten Elektromotor verstehen zu können, ist es somit
notwendig den Zusammenhang zwischen magnetischem Feld und dem elektrischen Strom zu klären:
Experiment: „Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter“
Der Plus- und der Minuspol einer Stromquelle sind jeweils an einer langen Metallschiene angeschlossen. Die beiden Schienen sind voneinander isoliert und berühren sich nicht.
© M.Brennscheidt
Auf die beiden Metallschienen wird ein kleines Graphitstäbchen gelegt. Da Graphit den elektrischen
Strom leitet, wird der Stromkreis durch das Stäbchen geschlossen. Ein Hufeisenmagnet wird so
angebracht, dass sich das Graphitstäbchen zwischen dem Nord- und Südpol im homogenen Bereich
des Magnetfeldes befindet.
Wichtig: Die magnetischen Feldlinien (vom Nord- zum Südpol) stehen hier senkrecht zum Graphitstäbchen und damit auch senkrecht zur Richtung des elektrischen Stroms, der durch das Stäbchen
fließt.
Lässt man nun einen elektrischen Strom durch das Graphitstäbchen fließen, so ist zu beobachten,
dass sich das Stäbchen auf den Metallschienen nach rechts bewegt. Dreht man den Hufeisenmagneten um 180° um, oder ändert man die Polung der Stromquelle, so bewegt sich das Stäbchen in
die andere Richtung nach links.
In einem zweiten Schritt wird nun der Hufeisenmagnet um 90° geneigt. Auch hier lässt man einen
elektrischen Strom durch das Stäbchen fließen. Im Gegensatz zu obiger Anordnung bewegt sich das
Graphitstäbchen auf der Schiene nicht.
© M.Brennscheidt
Ergebnis:
In einem Magnetfeld wirkt auf stromdurchflossenen Leiter (hier das Graphitstäbchen) eine Kraft , wenn Leiter und Magnetfeld senkrecht aufeinander stehen.
Die Richtung dieser magnetischen Kraft erhält man mit Hilfe der Drei-Finger Regel:
Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger der rechten Hand werden so abgespreizt, dass sie senkrecht
zueinander stehen. Zeigt der Daumen in die technische Stromrichtung (von Plus nach Minus) und der
Zeigefinger in Feldrichtung (von Nord nach Süd), so gibt der Mittelfinger die Richtung der magnetischen Kraft an.
Die Drei-Finger-Regel wird häufig mit UVW-Regel (Ursache-Vermittlung-Wirkung )bezeichnet:
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Die Ursache für die magnetische Kraft ist der elektrische Strom, der durch den Leiter fließt.
Ist dieser asugeschaltet, so wirkt auf den Leiter keine Kraft.
Die Vermittlung für die magnetische Kraft ist das magnetische Feld. Diese schafft
gewissermaßen die Rahmenbedingungen für die auf den Leiter wirkende Kraft.
Unter der Wirkung versteht man schließlich die magnetische Kraft selbst, die sich aus dem
Zusammenwirken von Ursache und Vermittlung ergibt.
© M.Brennscheidt
Erklärung des Einstiegsexperiments:
Mit Hilfe der Drei-Finger-Regel kann nun die Funktionsweise des einfachsten Elektromotors der Welt
geklärt werden. In einem kleinen Bereich fließt dort der elektrische Strom senkrecht zu den Feldlinien des Permanentmagneten. Dies wird an der folgenden Zeichnung deutlich: Im Magneten fließt
der elektrische Strom in einem kleinen Bereich nach rechts. Das magnetische Feld zeigt nach oben.
Auf den Magneten wirkt somit eine Kraft, die senkrecht auf der Stromrichtung und senkrecht zum
Magnetfeld aus der Tafelebene hinaus zeigt. Da die Kraft nur auf der Seite des Magneten wirkt an
der das Kabel den Magneten berührt, wird dieser in Drehung versetzt.
© M.Brennscheidt