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Schule > Physik > Elektrizität und Energie > Referat über die Grundformen des Elektromotors

Der elektrische Motor

Das Grundprinzip des elektrischen Motors beruht auf einer Drehbewegung, die von Kräften verursacht wird, die beim Aufeinanderwirken von Magnetfeldern entstehen.
Der elektrische Motor ist praktisch das Gegenstück zum Stromgenerator, denn dort wird mechanische Arbeit in elektrische umgewandelt und beim Elektromotor wird dieser Prozess umgekehrt, d.h. elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt.
Die Geschichte des Elektromotors
Die Entwicklung des Elektromotors begann im Jahre 1820 mit der Entdeckung des Elektromagnetismus durch Hans Christian Oersted. Im selben Jahr veröffentlichte auch Michael Faraday seine Forschungsergebnisse zur „elektromagnetischen Rotation“. 1837 erhielt dann der US-Amerikaner Thomas Davenport das erste Patent auf einen Elektromotor für seinen 1834 entwickelten Kommutatormotor. Nach vielen Zwischenschritten erfand schließlich Werner von Siemens die Dynamomaschine, womit von nun an elektrische Energie in großem Umfang erzeugt werden konnte. So war der Weg für den elektrischen Motor wie wir ihn heute kennen geebnet.

Die physikalischen Grundlagen
Wenn durch einen Draht Strom fließt (Die Stromflussrichtung wurde von + (positiv) nach - (negativ) festgelegt), entsteht in Richtung des Stromflusses ein Magnetfeld dass sich im Uhrzeigersinn um den Magneten befindet (wobei ein magnetisches Feld vom Nordpol zum Südpol geht).

Wenn man nun diese Regel kennt versteht man auch das Prinzip der magnetischen Spule:
Wenn man einen Draht zur Spule dreht und dort Strom durchfließen lässt, entsteht ein Magnetfeld, dass durch und um die Spule geht, denn die ganzen kleinen Magnetfelder der einzelnen Drähte addieren sich zu einem großen Magnetfeld, dem Magnetfeld der Spule. Spulen mit einem Eisenkern sind durch die magnetische Leitfähigkeit des Eisens sogar noch bessere Elektromagneten.

Anziehungskräfte
Jeder weiß dass sich Pluspol und Minuspol eines Magneten anziehen und dass sich gleiche Pole abstoßen.
Heranführung an die physikalischen Grundlagen des Gleichstromelektromotors
In dem ausgesuchtem Beispiel handelt es sich um einen Gleichstromelektromotor. Der Elektromotor besteht aus 2 Elektromagneten; einem Äußeren und einem Inneren, wobei einer von den beiden Magneten drehbar sein muss, in diesem Beispiel ist es der innere Magnet, der drehbar ist. Will man größere Kräfte erhalten, müssen auch die Magneten Größer sein; statt einem Draht wird ein so genannter Anker als beweglicher Magnet eingesetzt.
Diese beiden Magnete sind Elektromagnete mit Eisenkern. Je stärker der Strom fließt, desto stärker wird auch ihr Magnetismus. Und wie zuvor erwähnt, steigert auch die Anzahl der Windungen der Spule die Magnetische Kraft des Elektromagneten.
Zu den magnetischen Kräften lässt sich sagen, dass sich Permanentmagneten die sich jeweils mit Plus- und Minuspol ausgerichtet haben nicht mehr von selbst andersherum ausrichten. (Magnethälften die zusammen haften gehen nur auseinander wenn man Kraft einsetzt, ansonsten bleiben sie zusammen).
Nun funktioniert die Drehbewegung des Ankers innerhalb des äußeren Magneten aber trotzdem und zwar aufgrund eines natürlichen Phänomens: Dem Totpunkt. Am sog. Totpunkt sind sich Plus- und Minuspol am nächsten und beide wirken dort mit gleich hoher magnetischer Kraft, sodass diese praktisch aussetzt. Befindet sich der Anker am Totpunkt bleibt er jedoch nicht stehen, denn dank seiner Trägheit, die ihm als Körper zu Eigen ist, bewegt er sich immer ein Stück über den Totpunkt hinaus. Hier ist die entscheidende Stelle; in dem Moment da sich der Anker über den Totpunkt hinaus bewegt, muss der Stromfluss gestoppt werden und dann die polare Ausrichtung der Magnethälften durch eine Änderung der Stromflussrichtung umgekehrt werden, damit der Anker seine Drehbewegung einfach fortsetzt ohne sich wieder zurück zu bewegen.

Aufbau
Wie man in der Zeichnung sieht gibt es einen Rotor (Anker) und einen Stator. Aus den Namen ergibt sich schon die Bedeutung. Der Rotor ist der Elektromagnet, der rotiert und der Stator ist der Elektromagnet, welcher statisch also unbewegt bleibt.
Die Änderung der Stromrichtung am Totpunkt bewirkt der Kommutator, somit ist dieser beim Gleichstromelektromotor besonders wichtig. Er ist durch eine Achse mit dem Rotor verbunden und dreht sich mit ihm im Kreis. Der Kommutator besteht aus zwei Hälften Strom leitenden Materials und einem Streifen (hier gelb) nicht leitenden Materials in der Mitte. Er isoliert die beiden Hälften voneinander, damit die Spule des Innenmagneten nicht mehr mit Strom versorgt wird sobald der Totpunkt erreicht ist. Der Kommutator bewirkt nun, dass der Magnet, der durch seine Trägheit auch nach Erreichen des Totpunkts weiter rotiert, umgepolt wird. Dies geschieht mit Hilfe der Kontakte (Bürsten), die an derselben Stelle bleiben, während sich die leitfähigen Hälften vertauschen und sich somit auch die Polung des Rotors umkehrt.
Die Bürsten sind die Kontakte die den Strom über den Kommutator an den Rotor leiten.
Die Anschlussklemmen sind die Punkte wo jeweils der Plus- und der Minuspol an eine Stromquelle angeschlossen wird, von dort wird dann der Strom zu den Bürsten und zu dem Außenmagneten geleitet.
Experiment Buch S. 274 Abb. 2
Mechanische Arbeit des Elektromotors
Zusammengefasst bedeutet das: Je Stärker also der Strom ist, desto stärker ziehen sich die Magnetpole an und desto schneller dreht sich dann der Rotormagnet. Und so wird aus elektrischer Arbeit mechanische Arbeit.
Durch die entstehende Drehung kann man nun andere Dinge in Bewegung versetzen, wie zum Beispiel Zahnräder bei Uhren, die dann die Zeiger bewegen, oder Gummiriemen bei Elektroautos, die dann die Räder in Bewegung bringen.
Quellen
www. Wikipedia.org/wiki/Elektromotor (Stand 05. Juni 2007 13:12)
Schulbuch: „Kuhn Physik Band1“ ISBN 3-14-152121-2 S. 273 -275
Datum: 15.06.2007
Titel: Der elektrische Motor
Ort: Alfred-Wegener-Schule Kirchhain
Fachlehrer: Herr Cimiotti
Referentin: Miriam Heer
Thesenblatt
Der elektrische Motor
Grundprinzip: Drehung durch Kräfte, die von Magnetfeldern verursacht werden
elektrischer Motor ist Gegenstück zum Stromgenerator
denn elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt
Die Geschichte des Elektromotors
1820 Entdeckung des Magnetismus, Hans Christian Oersted
1820 „Elektromagnetische Rotation“ von Michael Faraday
1837 Patent auf Kommutatormotor, Thomas Davenport
Dynamomaschine, Werner von Siemens
Physikalische Grundlagen

Prinzip der magnetischen Spule:
um Draht durch den Strom fließt entsteht Magnetfeld in Richtung Stromfluss
Magnetfeld folgt Uhrzeigersinn um Magnet (magnetisches Feld vom Minus- zum Pluspol)
Spulen mit Eisenkern haben stärkeren Magnetismus durch magnetische Leitfähigkeit des Eisens
Heranführung an die physikalischen Grundlagen des Elektromotors
Bsp.: Gleichstromelektromotor
besteht aus zwei Elektromagneten (äußerer, Stator und innerer, Rotor bzw. Anker, drehbar)
will man größere Kräfte, braucht man größere Magnete (also statt Draht sog. Anker)
Magnete sind Elektromagnete mit Eisenkern
Je stärker Strom fließt, desto stärker Magnetismus
Anzahl der Windungen steigert magnetische Kraft des Elektromagneten
Drehbewegung des Ankers funkt. Aufgrund des „Totpunkts“
Am Totpunkt sind sich Plus- und Minuspol des beweglichen und unbeweglichen Magneten am nächsten, Kraft setzt aus
dank Trägheit bewegt sich Anker über diesen Punkt hinaus
Stromfluss muss da gestoppt werden
Polare Ausrichtung wird durch Kommutator umgekehrt, so bewegt sich Anker durchgehend
Kommutator ist durch Achse mit Rotor verbunden, dreht sich mit ihm im Kreis
Kommutator besteht aus zwei Hälften Strom leitenden Materials + Streifen nicht leitenden Materials dazwischen (Isolation)
Experiment Buch S. 274 Abb. 2
Mechanische Arbeit des E-Motors
Je Stärker also der Strom ist, desto stärker ziehen sich die Magnetpole an und desto schneller dreht sich dann der Rotormagnet. Und so wird aus elektrischer Arbeit mechanische Arbeit.
Drehung kann Dinge in Bewegung versetzen (z.B. Zahnräder oder Gummiriemen)
Quellen
-www. Wikipedia.org/wiki/Elektromotor (Stand 05. Juni 2007 13:12)
-Schulbuch: „Kuhn Physik Band1“ ISBN 3-14-152121-2 S. 273 -275

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