Der Elektromotor und Elektromagnetismus einfach erklärt

Egal ob in E-Scootern, Drohnen oder dem Vibrationsalarm deines Smartphones – Elektromotoren sind überall! Hast du dich jemals gefragt, wie aus einfachem Strom aus einer Batterie eine so kraftvolle Drehbewegung entsteht?

Die Antwort liegt im Zusammenspiel von Strom und Magneten. In diesem Artikel zum Thema Der Elektromotor und Elektromagnetismus lüften wir das Geheimnis. Du wirst lernen, aus welchen Bauteilen er besteht, wie er sich unaufhörlich dreht und wie du mit deiner eigenen linken Hand vorhersagen kannst, in welche Richtung die Kräfte wirken!

Vorwissen

• Magnetische Pole: Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an. Beispiel: Ein Nordpol und ein Südpol ziehen sich gegenseitig an, während sich zwei Nordpole abstoßen.
• Elektromagnetismus: Ein stromdurchflossenes Kabel erzeugt ein Magnetfeld. Beispiel: Eine Spule aus Kupferdraht wird zu einem Magneten, sobald man sie an eine Batterie anschließt.

Aufgabentyp 1: Prinzipien und Bauteile des Elektromotors

Ein Elektromotor besteht aus drei Hauptteilen:

• Stator: Ein unbeweglicher Magnet, der fest mit dem Gehäuse verbunden ist.
• Rotor: Ein zweiter Magnet (meist eine Spule), der sich in der Mitte drehen kann.
• Kommutator (Stromwender): Ein Bauteil, das die Richtung des Stroms regelmäßig umkehrt.

Wie entsteht nun die dauerhafte Drehung? Das passiert in vier einfachen Schritten:

1. Anziehung: Der Nordpol des Rotors wird vom Südpol des Stators angezogen. Der Rotor beginnt sich zu drehen.
2. Totpunkt: Wenn sich Nord- und Südpol genau gegenüberstehen, würde der Motor eigentlich stehen bleiben. Das nennt man den Totpunkt. Genau hier unterbricht der Kommutator kurz den Stromkreis.
3. Trägheit: Weil der Rotor bereits Schwung hat, dreht er sich durch seine Trägheit ein kleines Stück über diesen Totpunkt hinaus.
4. Umpolung: Nun schaltet der Kommutator den Strom wieder ein, aber in umgekehrter Richtung! Aus dem Nordpol des Rotors wird plötzlich ein Südpol. Dieser wird nun vom Südpol des Stators abgestoßen. Die Drehung geht nahtlos weiter!

Aufgabentyp 2: Das Generatorprinzip

Wir wissen bereits aus vorherigen Lektionen, dass ein Generator Bewegung in Strom umwandelt. Das Faszinierende ist: Ein Elektromotor und ein Generator sind physikalisch exakt dieselbe Maschine!

Alltagsbezug: Wenn du bei einem Elektroauto aufs Gas trittst, fließt Strom in den Motor und er dreht sich. Wenn du aber vom Gas gehst und das Auto rollt, drehen die Räder den Motor an.

Wird der Rotor eines Elektromotors mechanisch (zum Beispiel von Hand oder durch rollende Räder) angetrieben, entsteht an den Anschlüssen der Spule eine elektrische Spannung. Der Motor arbeitet dann rückwärts und fungiert als Generator.

Aufgabentyp 3: Die Lorentzkraft und die Linke-Hand-Regel

Warum genau dreht sich der Rotor, wenn Strom fließt? Die physikalische Ursache dafür ist die Lorentzkraft.

Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf bewegte Elektronen wirkt, wenn sie sich durch ein Magnetfeld bewegen.

Um herauszufinden, in welche Richtung diese Kraft drückt, nutzen wir die Drei-Finger-Regel der linken Hand:

• Daumen: Zeigt in die Richtung des Elektronenflusses (von Minus nach Plus).
• Zeigefinger: Zeigt in die Richtung des Magnetfeldes (vom Nordpol zum Südpol).
• Mittelfinger: Zeigt in die Richtung der resultierenden Lorentzkraft (die Bewegung).

In der rotierenden Leiterschleife des Rotors fließen die Elektronen auf der einen Seite nach vorne und auf der anderen Seite nach hinten. Dadurch drückt die Lorentzkraft die eine Seite nach oben und die andere nach unten. Die Kräfte an den vertikalen Verbindungsstücken heben sich gegenseitig auf. Das Ergebnis: Der Rotor dreht sich!

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Elektronenfluss bestimmen (Daumen): Finde heraus, in welche Richtung die Elektronen fließen (von Minus nach Plus). Richte deinen linken Daumen in diese Richtung.
2. Magnetfeld bestimmen (Zeigefinger): Finde den Nord- und Südpol. Das Magnetfeld verläuft immer von Nord nach Süd. Richte deinen linken Zeigefinger in diese Richtung, ohne den Daumen zu bewegen.
3. Kraft ablesen (Mittelfinger): Klappe deinen linken Mittelfinger im 90-Grad-Winkel ab. Er zeigt dir nun die Richtung der Lorentzkraft (die Bewegung).

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Eine Leiterschaukel (ein frei hängendes Kabel) befindet sich zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten. Der Nordpol ist oben, der Südpol ist unten. Die Elektronen fließen von vorne nach hinten (in das Blatt hinein).

Bestimme mithilfe der Linke-Hand-Regel, in welche Richtung die Lorentzkraft das Kabel drückt.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Elektronenfluss bestimmen (Daumen)

   Die Elektronen fließen nach hinten. Der linke Daumen zeigt: Nach hinten (in das Blatt hinein).

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   Schritt 2
   Magnetfeld bestimmen (Zeigefinger)

   Das Magnetfeld verläuft vom Nordpol (oben) zum Südpol (unten). Der linke Zeigefinger zeigt: Nach unten.

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Kraft ablesen (Mittelfinger)

   Wenn der Daumen nach hinten und der Zeigefinger nach unten zeigt, klappen wir den Mittelfinger im 90-Grad-Winkel ab. Der linke Mittelfinger zeigt: Nach rechts.

Ergebnis:

Die Lorentzkraft drückt das Kabel nach rechts.

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Wichtige Erkenntnisse

• Ein Elektromotor besteht aus Stator (fest), Rotor (drehbar) und Kommutator (Stromwender).
• Der Kommutator polt den Strom am Totpunkt um, damit die Drehung durch Abstoßung und Anziehung dauerhaft weitergeht.
• Ein Motor kann auch rückwärts als Generator arbeiten, wenn man ihn mechanisch antreibt.
• Die Lorentzkraft bewegt den Rotor. Ihre Richtung wird mit der Linke-Hand-Regel (Daumen = Elektronen, Zeigefinger = Magnetfeld, Mittelfinger = Kraft) bestimmt.