Elektromotor

Elektromotoren gibt es in allen Grössen und Ausführungen. Wir werden an dieser Stelle nur die grundsätzliche Funktionsweise eines einfachen Gleichstrommotors anschauen. Die Aufgabe eines Elektromotors ist es, elektrische Arbeit in mechanische Arbeit umzuwandeln.

Ausrichtung im Magnetfeld

Eine Kompassnadel richtet sich im äusseren Magnetfeld (Erdmagnetfeld) aus, weil sie selber ein Magnet ist und damit hat sie einen Nord- und einen Südpol. Der Nordpol der Nadel wird vom Südpol des äusseren Magnetfelds angezogen. Weil in der Nähe des geografischen Nordpols der magnetische Südpol des Erdmagnetfelds liegt, zeigt der Nordpol unserer Kompassnadel gegen Norden.

Die Ausrichtung ist ein Drehmoment, das auf die Nadel wirkt. Sobald sie ausgerichtet ist, verschwindet das Drehmoment. Es ist dann maximal, wenn die Nadel um 90° abweicht, d.h. wenn sie gegen Westen oder Osten zeigt. Im Falle wo die Kompassnadel exakt gegen Süden zeigt, wirkt zwar eine Kraft, die die Nadel ausrichten möchte. Da ihre Wirkungslinie zum Drehpunkt keinen Abstand hat, verschwindet das Drehmoment und die Nadel bleibt in umgekehrter Richtung.

Den gleichen Effekt erhalten wir mit einer „Kompassnadel“, die aus einer Spule besteht, durch welche ein elektrischer Strom fliesst. Auch ein Elektromagnet richtet sich im äusseren Magnetfeld aus. Der Vorteil der Spule gegenüber dem Permanentmagneten liegt in der Tatsache, dass sich der Strom ein- und ausschalten und sogar umkehren lässt.

Wir können die Ausrichtung der Spule im äusseren Magnetfeld auch mit Hilfe der Lorentzkraft gut verstehen. Hierzu zeichnen wir, ähnlich wie beim Lautsprecher, die Richtung des Stroms mit dem Symbol „Kreis mit Punkt“ für einen Strom, der aus der Zeichenebene herauszeigt und mit einem Symbol „Kreis mit Kreuz“ für einen Strom, der in die Zeichenebene hineinzeigt.

In der nachfolgenden Grafik ist eine solche Spule (mit nur einer Windung) gezeichnet. Von oben, d.h. Vom Südpol aus gesehen, fliesst der Strom im Gegenuhrzeigersinn.

Mit der Rechte-Hand-Regel ermitteln wir die Richtung der Lorentzkraft auf unsere bewegten Ladungen im Leiter. Auf der rechten Seite fliesst der elektrische Strom in die Zeichenebene hinein. Das entspricht der Fliessrichtung der positiven Ladungen (positive Löcher). Die Bewegungsrichtung der Elektronen ist natürlich gerade umgekehrt.

Da wir nur eine Lorentzkraft aufgrund des magnetischen Felds haben (keinen Einfluss eines elektrischen Felds), gilt:

\[ \vec{F}_L = \vec{v} \times \vec{B} \]

Die Lorentzkraft steht senkrecht auf dem Magnetfeld \(\vec{B}\) und auf der Bewegungsrichtung der Ladungen \(\vec{v}\). Wir zeichnen deshalb einen Pfeil \(\vec{F}_L\) senkrecht zum Magnetfeld.

Wie wir in der Grafik erkennen können, kann diese Lorentzkraft aufgeteilt werden in die Teilkräfte \(\vec{F}_{\parallel}\) und \(\vec{F}_{perp}\), einem Anteil parallel (\(\parallel\)) zur Ebene der Leiterschlaufe und einem Anteil senkrecht (\(\perp\)) dazu. Die Teilkraft wird durch den gleichen Anteil gegenüber aufgehoben. Die Teilkraft \(\vec{F}_{\parallel}\) wird durch ihr Gegenstück auf der anderen Seite aufgehoben und hat damit keinen Einfluss. Die Teilkraft e \(\vec{F}_{\perp}\) hingegen, erzeugt ein Drehmoment auf die Leiterschlaufe. Es ist dieses Drehmoment, das die Leiterschlaufe und letztlich die ganze Spule im Magnetfeld ausrichtet.

Schaffung einer Drehbewegung

Wir verstehen jetzt, dass eine Spule, durch welche ein Strom fliesst, sich im äusseren Magnefeld ausrichten wird. Für die Realisierung eines Elektromotors braucht es jetzt noch einen zusätzlichen kleinen Geniestreich, den wir in der folgenden Sequenz entdecken werden:

Wir lassen eine Spule sich im äusseren Magnetfeld ausrichten (Bild 1). Sobald sie ausgerichtet ist (Bild 2), schalten wir den Strom aus, so dass die Spule ihre magnetische Eigenschaft verliert. Durch Trägheit dreht sie sich aber noch ein bisschen weiter (Bild 3)

Jetzt schalten wir den Strom wieder ein, jedoch lassen wir ihn dieses Mal in der umgekehrten Richtung lauf. Der frühere Nordpol wird damit zum Südpol und umgekehrt. Die Spule möchte sich wieder ausrichten (Bild 4). Ein halbe Umdrehung später ist die Spule wieder ausgerichtet (Bild 5). Der Strom wird kurzzeitig ausgeschaltet und dann wieder in der ursprünglichen Richtung durch die Spule gelassen. Die Spule muss sich deshalb wieder ausrichten (Bild 6).

Der Trick an der Geschichte ist das Umdrehen des Stroms in der Spule. Realisiert wird das durch kleine, leitende Bürsten die einmal so, dann wieder so Kontakt geben und damit die Richtung des Stroms automatisch umkehren.

Verwandtschaft mit dem Generator

Der Elektromotor ist gleich aufgebaut wie ein Generator: Eine Leiterschlaufe dreht sich in einem Magnetfeld. Während der Elektromotor aus einer an der Leiterschlaufe angelegten Spannung eine mechanische Bewegung verursacht, arbeitet der Generator gerade umgekehrt. Eine mechanische Bewegung der Leiterschlaufe induziert in ihr eine Spannung, die abgegeben wird.

Der Elektromotor wandelt elektrische Arbeit in mechanische Arbeit um. Der Generator wandelt mechanische Arbeit in elektrische Arbeit um.