Aus Strom wird Bewegung
Inhalt
Bewegte Leiter und bewegte Magnete
Lorentzkraft
Elektrischer Strom ist stets von einem Magnetfeld umgeben. Wenn dieses Magnetfeld mit einem anderen Magnetfeld zusammentrifft, kommt es zu einer Wechselwirkung (Lorentzkraft) dadurch bewegt werden.
Ist der Leiter beweglich (siehe Abbildung), so wird er bei Stromdurchgang in das Magnetfeld hineingezogen oder hinausgedrängt.
Die Bewegungsrichtung des Leiters lässt sich folgendermaßen feststellen: Man hält, wie im Bild zu sehen ist, den Daumen der rechten Hand in Stromrichtung (vom Pluspol zum Minuspol) und den Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes (vom Nordpol zum Südpol). Der Mittelfinger gibt dann die Bewegungsrichtung an. In der Abbildung ist das die Richtung aus dem Magnetenheraus.
Ist der Magnet drehbar gelagert, so bewegt sich der Magnet.
Stelle einen Stromkreis mit einer Spule zusammen. In der Spule befindet sich ein Eisenkern.
Ein Anschluss ist mit der Batterie oder dem Netzgerät fest verbunden, der zweite Anschluss wird über einen Kontaktstift mit der Hand hergestellt.
Vor die Spule wird ein drehbar gelagerter Magnet gestellt, und zwar normal zur Spulenachse.
Schließe nun den zweiten Kontakt und beobachte.
Schließe wie beim vorhergehenden Experiment wieder den Stromkreis, öffne aber den Kontakt gleich wieder.
Wenn du das geschickt machst, dreht sich der Magnet über seine anfängliche Position hinaus und es kommt zu einer Drehbewegung.
Stehen einander die ungleichnamigen Magnetpole des Elektromagneten und des Permanentmagneten gegenüber, so ist die Bewegung zu Ende.
Die anziehende Wechselwirkung der Magnetpole ist in dieser Position am stärksten.
Die Bewegung eines drehbar gelagerten Magneten im Magnetfeld eines Elektromagneten kann jedoch mit technischen Tricks aufrechterhalten werden.
Zunächst einmal ist es möglich, kurz vor Erreichen dieses Ruhezustandes den Stromkreis zu unterbrechen. Der Magnet dreht sich dann aufgrund seiner Trägheit über diese Lage hinaus. Wird bei geeigneter Stellung des Magneten der Stromkreis wieder geschlossen, kann eine kontinuierliche Drehbewegung erzeugt werden.
Eine weit bessere Möglichkeit zur Aufrechterhaltung der Drehbewegung bietet ein rechtzeitiges Wechseln der Stromrichtung.
Prinzip des Elektromotors
Gleichstrommotoren
In Gleichstrommotoren befindet sich zwischen den Poleneines Magneten eine drehbare Spule (Rotorspule). Die Stromzufuhr zu der Spule erfolgt über Schleifkontakte. Zwischen diesen dreht sich ein sogenannter Polwender. Der besteht im einfachsten Fall aus zwei halbkreisförmigen leitenden Teilen mit einer Isolierschicht dazwischen. Dadurch erfolgt ein laufendes Umschalten der Stromrichtung, sodass die Spule durch die Wechselwirkung mit dem Magneten fortwährend in Bewegung gehalten wird.
| Die Spule bewegt sich bei Stromzufuhr über die Schleifkontakte (Bild 1) im Magnetfeld des Permanentmagneten soweit, bis ungleichnamige Magnetpole des Elektromagnetenund des Permanentmagneten einander gegenüberstehen (Bild 2). | |
| Die anziehende Wechselwirkung der Magnetpole ist in dieser Position am stärksten. Der Stromkreis ist unterbrochen, da die Schleifkontakte die Isolierschicht berühren. | |
| Der Magnet dreht sich aufgrund seiner Trägheit über diese Lage (den Totpunkt) hinaus und nun berühren die Schleifkontakte die andere Seite des Polwenders (Bild 3). Die Stromrichtung wird dadurch umgekehrt. Die Magnetpole stoßen einander ab. Deshalb dreht sich die Spule jetzt weiter (Bild 4). | |
| Die Schleifkontakte des Rotors dürfen sich zu Beginn der Bewegungnicht an den isolierten Stellen des Polwenders befinden. In diesem Fall würde kein Strom durch die Rotorwicklung fließen und daher keine Bewegung zustande kommen. |
Diskutiert in der Klasse, wovon die Drehrichtung der Spule abhängt.
Suche im Internet nach einer Animation, die die Bewegung eines Elektromotors zeigt. Schau dir die Animation genau an und vergleiche sie mit der oben gezeigten Abbildung.
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Training
Lückentext
Gleichstrommotor
Bewegte Leiterschleife
Merke
Elektromotor – Zusammenfassung
Eine stromdurchflossene Spule dreht sich in einem Magnetfeld, weil es zwischen diesem und dem Feld um die Spule zu einer Wechselwirkung kommt. Beim Elektromotor ermöglicht ein Polwender, dass die Stromrichtung in der Spule nach jeder Halbdrehung geändert wird, wodurch die Bewegung aufrechterhalten wird. Ein Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie (Rotationsenergie) um.
