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Physik

So funktioniert ein Elektromotor

Ein Elektromotor nutzt die Kraft auf Leiter im Magnetfeld. Ein Kommutator sorgt dafür, dass die Drehung in dieselbe Richtung weitergeht.

  • ca. 12 Minuten
  • Klasse 9
  • Niveau: Standard

Das lernst du heute

  • Ich kann den Aufbau eines Gleichstrommotors beschreiben.
  • Ich kann erklären, warum die Spule sich dreht.
  • Ich kann die Aufgabe des Kommutators nennen.

Das brauchst du schon: Vielleicht hilft dir zuerst eine dieser Lektionen: Kraft auf Leiter und Ladungen im Magnetfeld, Elektrische Leistung und Energiebedarf im Haushalt

Ein einfacher Gleichstrommotor hat einen Dauermagneten, eine drehbare Spule und einen Kommutator. Die Spule heißt Anker. Der Kommutator ist ein geteilter Ring. An ihm liegen Schleifkontakte an. Er führt den Strom in die Spule. Der Strom fließt in der einen Spulenseite hin und in der anderen zurück. Die beiden Seiten haben also entgegengesetzte Stromrichtungen. Deshalb wirken die Kräfte im Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen. Die Kraft drückt die eine Seite nach oben, die andere nach unten. Die Spule dreht sich. Steht sie senkrecht zu den Feldlinien, wirkt kein Drehmoment mehr. Die Kräfte drehen sie dann nicht weiter, nur ihr Schwung. Genau dann wechselt der Kommutator die Anschlüsse. Der Strom in jeder Spulenseite kehrt sich um, und damit auch die Kraft. Die Spule dreht sich in dieselbe Richtung weiter. Dieser Wechsel geschieht bei jeder halben Umdrehung. Mit mehr Windungen, stärkeren Magneten und mehr Strom wird die Kraft größer. Motoren mit mehreren Spulen laufen ruhiger. Elektromotoren wandeln elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Der Wirkungsgrad ist oft deutlich höher als bei Verbrennungsmotoren. Man nutzt sie in Spielzeug, Waschmaschinen, Bahnen und Elektroautos. Versuche mit Motoren machst du nur mit Batterien, nie mit Netzspannung.

Bauteile eines Gleichstrommotors.
BauteilAufgabe
Dauermagneterzeugt das Magnetfeld
Spule (Anker)dreht sich, wenn Strom fließt
Kommutatorkehrt die Stromrichtung bei jeder halben Umdrehung um
Schleifkontakteführen den Strom zum Kommutator

Eine Umdrehung verfolgen

  1. Strom fließt durch die Spule. Die Kräfte drehen die Spule.
  2. Die Spule steht senkrecht zu den Feldlinien. Das Drehmoment ist null.
  3. Der Kommutator wechselt die Anschlüsse. Der Strom kehrt sich um.
  4. Die Kräfte drehen die Spule in dieselbe Richtung weiter.
  5. Das wiederholt sich bei jeder halben Umdrehung.

Ich verstehe das noch nicht

Such dir aus, was dir hilft.

Noch einfacher erklärt

Strom in der Spule: Kräfte drehen sie.

Kommutator: Strom umkehren zur richtigen Zeit.

So dreht sich die Spule weiter.

Ein Beispiel

Beispiel

Wie beim Fahrradfahren: Du trittst abwechselnd links und rechts, damit sich das Rad weiterdreht. Der Kommutator ist der Fuß, der im richtigen Moment wechselt.

Schritt für Schritt

Du erklärst die Drehung des Motors.

  1. Kräfte wirken entgegengesetzt auf beide Spulenseiten.
  2. Die Spule dreht sich.
  3. Wirkt kein Drehmoment mehr, kehrt der Kommutator den Strom um.
  4. Die Drehung geht weiter.

Mit einem Bild erklärt

ÄnderungWirkung beim Motor
Batterie umpolenDrehrichtung kehrt sich um
Mehr Windungengrößere Kraft
Stärkerer Magnetgrößere Kraft

Zur Grundlage zurück

Ausprobieren

Jetzt zusammen

Wir lösen die Aufgabe gemeinsam. Nutze die Hilfen, wenn du sie brauchst.

Was ist die Aufgabe des Kommutators?
Zeig mir den ersten Schritt

Was würde ohne ihn passieren?

Lösung ansehen

Lösung: Er kehrt die Stromrichtung bei jeder halben Umdrehung um.

Üben

Jetzt du

Jetzt probierst du es allein.

Wie kehrt man die Drehrichtung eines Gleichstrommotors um?
Zeig mir den ersten Schritt

Was passiert mit der Kraft, wenn der Strom sich umkehrt?

Lösung ansehen

Lösung: Man polt die Batterie um.

Tipp: Ohne Kommutator würde die Spule nur ein Stück drehen und dann hin- und herpendeln.

Merksatz: Motor: Spule im Magnetfeld, Kräfte erzeugen Drehung. Der Kommutator kehrt den Strom um, damit die Drehung weitergeht.

Typischer Fehler: Viele glauben, der Motor drehe sich, weil das Magnetfeld sich dreht. Beim Gleichstrommotor dreht sich die Spule, der Magnet steht still.

Prüfen

Mini-Quiz

4 kurze Fragen, ohne Noten. Bei jeder Frage kannst du dir die Lösung ansehen.

Frage 1 Welcher Teil des Gleichstrommotors dreht sich?
Lösung ansehen

Lösung: die Spule

Frage 2 Die Kräfte auf die beiden Spulenseiten wirken in dieselbe Richtung.
Lösung ansehen

Lösung: Stimmt nicht

Frage 3 Was erhöht die Kraft im Motor?
Lösung ansehen

Lösung: ein stärkerer Magnet

Frage 4 Ein Motor nimmt 12 W elektrische Leistung auf und gibt 9 W mechanische Leistung ab. Wie hoch ist der Wirkungsgrad in Prozent?

Zeig mir den ersten Schritt

Abgegebene Leistung geteilt durch aufgenommene Leistung.

Lösung ansehen

Lösung: 75

9 : 12 = 0,75, das sind 75 %.

Geschafft

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Das Zusammenspiel von Kraft und Kommutator hält die Drehung am Laufen.

Zum Schluss

Kannst du das schon?

Hake ab, was du schon kannst. Was noch fehlt, schaust du dir einfach noch einmal an.

Zum Ausdrucken

Übungsheft Elektromotor, Generator und Transformator

Kurz erklärt, 52 Aufgaben in drei Stufen und alle Lösungen. Kostenlos.

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