Motor, Elektromotor und Triebwerk im Vergleich
Verbrennungsmotor, Elektromotor und Düsentriebwerk wandeln Energie in Bewegung um. Sie tun es mit verschiedenen Kräften und verschiedenem Wirkungsgrad.
Das lernst du heute
- Ich kann die drei Antriebe beschreiben.
- Ich kann vergleichen, welche Kraft jeweils wirkt.
- Ich kann Wirkungsgrade berechnen und einordnen.
Das brauchst du schon: Vielleicht hilft dir zuerst diese Lektion: Kraft und Gegenkraft: der Rückstoß
Ein Auto kann von einem Verbrennungsmotor oder von einem Elektromotor angetrieben werden. Ein Flugzeug hat oft Düsentriebwerke. Alle drei Antriebe wandeln zugeführte Energie in Bewegungsenergie um. Ein Benzinmotor arbeitet meist in vier Takten: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen. Im dritten Takt zündet das Gemisch. Die heißen Gase drücken den Kolben mit großer Kraft nach unten. Eine Kurbelwelle macht aus der Hin- und Herbewegung eine Drehung. Im Elektromotor fließt Strom durch eine Spule im Magnetfeld. Magnetische Kräfte drehen die Spule. Das Düsentriebwerk nutzt den Rückstoß: Heiße Gase strömen nach hinten aus und schieben das Flugzeug nach vorn. Der Wirkungsgrad η (griechischer Buchstabe „eta“) sagt, wie viel der zugeführten Energie als Nutzenergie ankommt: η = Nutzenergie : zugeführte Energie. Der Rest wird zu Wärme.
| Antrieb | Zugeführte Energie | Kraftwirkung | Wirkungsgrad (etwa) |
|---|---|---|---|
| Verbrennungsmotor (Benzin) | chemische Energie des Kraftstoffs | Druck der heißen Gase auf den Kolben | 25 % bis 35 % |
| Elektromotor | elektrische Energie | magnetische Kräfte auf die Spule | 85 % bis 95 % |
| Düsentriebwerk | chemische Energie des Kerosins | Rückstoß der Abgase | 30 % bis 40 % |
Wirkungsgrad berechnen
- Gegeben: zugeführt 100 kJ, Nutzenergie 30 kJ.
- Formel: η = Nutzenergie : zugeführte Energie.
- Einsetzen: η = 30 kJ : 100 kJ = 0,30.
- Ergebnis: η = 30 %. Die übrigen 70 kJ werden zu Wärme.
Ich verstehe das noch nicht
Such dir aus, was dir hilft.
Noch einfacher erklärt
Ein Motor braucht Energie.
Ein Teil wird zu Bewegung.
Der Rest wird zu Wärme.
Ein Beispiel
Ein Auto wird nach langer Fahrt vorn warm. Der Verbrennungsmotor hat viel Energie zu Wärme gemacht. Der Motor eines Elektroautos bleibt viel kühler. Er wandelt weniger Energie in Wärme um.
Schritt für Schritt
Du vergleichst zwei Antriebe.
- Schreibe auf, welche Energie zugeführt wird.
- Nenne die Kraft, die die Bewegung auslöst.
- Rechne den Wirkungsgrad.
- Vergleiche die Ergebnisse.
Mit einem Bild erklärt
| Takt | Was geschieht? |
|---|---|
| 1 Ansaugen | Kolben geht nach unten, Gemisch strömt ein |
| 2 Verdichten | Kolben geht nach oben, Gemisch wird zusammengedrückt |
| 3 Arbeiten | Gemisch zündet, Gase drücken den Kolben nach unten |
| 4 Ausstoßen | Kolben geht nach oben, Abgase werden hinausgeschoben |
Zur Grundlage zurück
- Kraft und Gegenkraft: der Rückstoß – Du kennst Kraft und Gegenkraft.
Jetzt zusammen
Wir lösen die Aufgabe gemeinsam. Nutze die Hilfen, wenn du sie brauchst.
Ein Motor erhält 200 kJ und liefert 50 kJ Nutzenergie. Wie groß ist der Wirkungsgrad in %?
Zeig mir den ersten Schritt
50 : 200.
Lösung ansehen
Lösung: 25
50 : 200 = 0,25 = 25 %.
Jetzt du
Jetzt probierst du es allein.
Ein Elektromotor erhält 50 kJ und liefert 45 kJ Bewegungsenergie. Wie groß ist der Wirkungsgrad in %?
Zeig mir den ersten Schritt
45 : 50.
Lösung ansehen
Lösung: 90
45 : 50 = 0,9 = 90 %.
Tipp: Prüfe bei jedem Antrieb drei Fragen: Was geht hinein? Welche Kraft wirkt? Was kommt als Nutzenergie heraus?
Merksatz: Verbrennungsmotor: Druck der Gase auf den Kolben. Elektromotor: magnetische Kräfte. Düsentriebwerk: Rückstoß. Wirkungsgrad: η = Nutzenergie : zugeführte Energie.
Typischer Fehler: Ein Motor „erzeugt“ keine Energie. Er wandelt sie um. Ein Teil wird immer zu Wärme, darum ist der Wirkungsgrad kleiner als 100 %.
Mini-Quiz
4 kurze Fragen, ohne Noten. Bei jeder Frage kannst du dir die Lösung ansehen.
Lösung ansehen
Lösung: Das Düsentriebwerk
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Lösung: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen
Lösung ansehen
Lösung: Stimmt nicht
Frage 4 Ein Motor liefert 20 kJ Nutzenergie bei einem Wirkungsgrad von 40 %. Wie viel Energie in kJ wurde zugeführt?
Zeig mir den ersten Schritt
20 kJ sind 40 % der zugeführten Energie. Rechne 20 : 0,4.
Lösung ansehen
Lösung: 50
20 kJ : 0,4 = 50 kJ.
Geschafft
Drei Antriebe, drei Kraftwirkungen: Kolbendruck, Magnetkraft, Rückstoß. Der Elektromotor hat den höchsten Wirkungsgrad. Verbrennungsmotoren wandeln viel Energie in Wärme um.
Kannst du das schon?
Hake ab, was du schon kannst. Was noch fehlt, schaust du dir einfach noch einmal an.
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