Das Prinzip des Elektromotors
Prinzipieller Aufbau eines Elektromotors
Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Um einen Elektromotor zu bauen, braucht man einen Elektromagneten und einen Permanentmagneten. Den Elektromagneten liefert uns in der Skizze unten die Drahtschleife. Elektrische Ströme sind von Magnetfeldern umgeben, wobei das Magnetfeld einen geraden Leiter ringförmig umgibt. Ist der Leiter eine Schleife, bildet das Magnetfeld eine Röhre aus Ringen um die Schleife. Fließt also ein elektrischer Strom durch die Drahtschleife, wird sie zu einem Magneten. Bei der eingezeichneten Stromrichtung ist das Feld im Inneren der Drahtschleife nach oben gerichtet. Da die Richtung eines Magnetfeldes so festgelegt wurde, dass sie vom Nord- zum Südpol zeigt, liegt also der Süpol oben.
Die Drahtschleife liegt im Feld eines Permanentmagneten.
(Die Zeichnung soll nur das Prinzip wiedergeben, weshalb ich mich hier auf die Darstellung der Pole des Permanentmagneten beschränkt habe – wie man weiß, existieren keine magnetischen Monopole. In Wirklichkeit bilden die beiden Pole die Enden eines Magneten mit einem Hohlraum zwischen sich. Es können also nicht Nord- und Südpol getrennt auftreten. Die bei realen Elektromotoren verwendeten Permanentmagnete sind so geformt, dass sie zwischen ihren Polen einen zylinderförmigen Hohlraum haben, in dem sich der Elektromagnet dreht.)
- Abb. 1 ¦ Prinzip des Gleichstrom-Elektromotors
- Prinzip des Gleichstrom-Elektromotors
Funktion des Elektromotors
Nun wird der Nordpol der Schleife vom Südpol des Permanentmagneten angezogen und umgekehrt – die Drahtschleife wird also in eine Drehbewegung versetzt. Allerdings kommt die Drehung bald zum Stillstand, wenn sich nämlich die entgegengesetzten Pole von Schleife und Permanentmagnet gegenüberliegen und die anziehenden Kräfte sozusagen ihr Ziel erreicht haben. Diesen Zustand nennt man den Totpunkt.
Nun behilft man sich, indem man die Stromrichtung blitzschnell umdreht – mit einem so genannten Kommutator –, mit der Stromrichtung vertauschen sich auch die Magnetpole der Drahtschleife. Plötzlich liegen sich also gleichnamige Pole von Schleife und Permanentmagnet gegenüber, die sich gegenseitig abstoßen. Da die Schleife vom eigenen Schwung ein Stück über den Totpunkt hinausgetrieben wurde, kann sie nun aufgrund der neu einsetzenden magnetischen Abstoßung ihre Drehung fortsetzen. Erreicht sie den nächsten Totpunkt, wird der Strom erneut umgepolt, so dass sie eine permanente Drehung ausführt.
Die Änderung der Stromrichtung erreicht man, indem man die Enden der Schleife so formt, dass sie bei der Drehung immer im Wechsel am Plus- und Minuspol der Spannungsquelle anliegen. Hier ist dies angedeutet durch den Zylinder, der mit den Enden der Schleife verbunden ist. Die Enden der Drahtschleife münden jeweils in eine Häfte eines Zylinders, der an den Kontakten entlangschleift. So liegt mal die eine, mal die andere Zylinderhälfte am Plus(Minus-)pol, und mit ihr das entsprechende Ende der Schleife.
Dieses einfachste Modell eines Elektromotors funktioniert in der Praxis leider nicht – aufgrund der auftretenden Reibung reichen die bei einer einzelnen Schleife auftretenden Kräfte nicht aus, um sie in Drehung zu versetzen. Den Elektromagneten baut man also nicht aus einer einzelnen Schleife, sondern benutzt man viele davon – nämlich eine Spule, die sich im Feld des Dauermagneten dreht.
Magnetisierung von Eisen
Zur Verstärkung des Magnetfeldes der Spule (also des Elektromagneten) steckt man in die Spule noch einen Eisenkern.
Je nach Anzahl der Elektronen pro Atom können Atome kleine Magneten sein oder auch nicht. Aber auch dann, wenn ein Material aus Atomen mit magnetischem Moment besteht, ist dieses Material in der Regel nicht magnetisch, weil die Wärmebewegung der Atome dafür sorgt, dass die magnetischen Momente der Atome alle in unterschiedliche Richtungen zeigen und sich nach außen aufheben. Beim Eisen ist das anders – im Eisen sorgt eine Kraft für die parallele Ausrichtung der „Atommagneten“. Dass auch Eisen normalerweise nicht magnetisch ist, liegt an den so genannten Weißschen Bezirken, in die ein Stück Eisen aufgeteilt ist. In jedem dieser Bezirke hat die Magnetisierung eine andere Richtung, so dass wiederum nach außen keine Magnetisierung auftritt.
Steckt man ein Stück Eisen aber nun in ein Magnetfeld, dehnen sich die Bezirke mit der „richtigen“ Magnetisierung (also einer parallel zum Magnetfeld) auf Kosten der anderen aus, so dass das Eisen als Ganzes zum Magneten wird. Und es bleibt auch ein Magnet, wenn man es aus dem äußeren Magnetfeld wieder herausholt. Wie stabil die Magnetisierung ist, hängt von der Vorbehandlung des Eisens ab – so gibt es magnetisch hartes und magnetisch weiches Eisen. In Spulen, in denen die Stromrichtung, und damit auch die Richtung des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes, häufig umgekehrt werden soll, braucht man einen Kern aus weichem Eisen. Nur dann kann die Magnetisierung des Eisens sich rasch dem durch den Spulenstrom vorgegebenen Magnetfeld anpassen. Entspricht die Richtung der Magnetisierung des Eisenkerns dem Feld des Spulenstroms, verstärken sich beide.