Ein einfacher Elektromotor

Ein einfacher Elektromotor.

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Die Animation im Bild neben diesem Text zeigt die Drehung (Rotation) einer stromdurchflossenen Leiterscheife im Feld eines Hufeisenmagneten.

Dies ist ein ganz einfacher Elektromotor.

Wie es zu dieser Drehung kommt, soll Dir diese Seite erklären.
Arbeite sie durch, sehe Dir die Bilder genau an und denke mit.

(0) Die Grundlage :
Bewegte Elektronen erfahren in einem Magnetfeld eine Kraft - die Lorentzkraft.

Als Grundlage benötigst Du die Drei-Finger-Regel der linken Hand
für die Bewegung von Elektronen in einem Magnetfeld.

zeigt der Daumen in die Bewegungsrichtung der Elektronen
und der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes (vom Nord- zum Südpol)
so zeigt der Mittelfinger in die Richtung der auftretenden Kraft (Lorentzkraft).

(1) Ausgangspunkt soll der Augenblick sein, in dem die Leiterschleife genau senkrecht steht.

Die Elektronen nehmen folgenden Weg:

vom - Pol der Quelle über die rechte Zuführungsleitung zu dem roten, leitenden Halbkreis (a)
in die Schleife hinein, im oberen Leiterteil (1) geht es nach oben
im Leiterteil 2 nach hinten
im Leiterteil 3 nach unten
im Leiterteil 4 nach vorne
über den unteren Leiterteil (1) zum blauen leitenden Halbkreis und über die Zuführung (b) zurück zum + Pol der Quelle.

Für die Drehung der Leiterschleife sind nur der Leiterteil 2 (oben)
und der Leiterteil 4 (unten) wichtig.

(2) Zweidimensionale Darstellungen sind einfacher !

Damit uns das Verständnis etwas leichter fällt, bevorzugen wir eine zweidimensionale Darstellung.

In dem Augenblick, der im Bild dargestellt ist, bewegen sich

die Elektronen im Leiterteil 2 nach hinten
sieht man direkt von vorne drauf, bewegen sie sich vom Betrachter weg
scheinbar in die Anordnung oder Bildebene hinein.

(Pfeil von hinten, Federn !)

die Elektronen im Leiterteil 4 nach vorn
sieht man direkt von vorne drauf, bewegen sie sich zum Betrachter hin
scheinbar aus der Anordnung oder Bildebene heraus

(Pfeil von vorne, Spitze !)

(3) Bild und Vereinfachung im Vergleich:


Leiterteile im Bild	Draufsicht von vorn.

Auf den Leiterteil 2 (oben) wirkt eine Kraft nach rechts
auf den Leiterteil 4 (unten) nach links
Die Leiterschleife beginnt sich im Uhrzeigersinn zu drehen.

(4) Die Schleife dreht sich ...

Beachte: Die Vektoren von Stromrichtung, Magnetfeld und Kraft stehen stets senkrecht aufeinander.

Beginn der Drehung 0 Grad : In der Ausgangsposition wird die Schleife von den Kräften im Uhrzeigersinn gedreht. Stelle dir einfach vor, was passiert, wenn Du an den grünen Pfeilen in Pfeilrichtung ziehst!

Drehung um 45 Grad : Die Schleife dreht sich weiter, für die Drehung verantwortlich ist eigentlich die orange gezeichnete Komponente der Kraft, die senkrecht auf der Leiterrahmenfläche steht.

Drehung um 90 Grad : Die Kräfte wirken nach außen, möchten also praktisch den Rahmen verformen, eine Drehung bewirken sie nun nicht mehr, eine Kraftkomponente senkrecht zur Leiterschleifenfläche fehlt. In diesem Augenblick stehen die roten und blauen Halbkreise der Stromzuführung senkrecht.

(5) 90 Grad - die Leiterschleife will nicht weiter !

Selbst wenn sich die Leiterschleife - wegen der Trägheit - über die 90 Grad Lage hinausbewegt, würden die auftretenden Kräfte sie wieder in diese Lage zurückbewegen. Zeichnung A zeigt, wie die Kräfte bei 45 Grad und bei 135 Grad deuten. Versuche in Gedanken wieder an den grünen Pfeilen in Pfeilrichtung zu ziehen! Die Leiterschleife würde sich gegen den Uhrzeigersinn in die 90 Grad Stellung (horizontal) zurückdrehen.	Zeichnung A

Die Leiterschleife dreht sich nur dann weiter, wenn sich ab 90 Grad die Kraftrichtung ändert, also im Teil 2 nach links und im Teil 4 nach rechts deutet. Dann wird die orange Kraftkomponente, die senkrecht zur Leiterschleife im Uhrzeigersinn zeigt, die Leiterschleife weiter drehen. Da die Richtung des Magnetfeldes gleich bleibt, kann man die Kraftrichtung nur ändern, wenn sich die Stromrichtung umkehrt.
Stromrichtung unverändert. Zurück in die Horizontalstellung ! Drehung gegen den Uhrzeigersinn.	Stromrichtung gedreht (!) Leiterschleife dreht weiter ! Drehung im Uhrzeigersinn.
Vergleiche Zeichnung A und Zeichnung B und prüfe mit der Drei-Finger-Regel nach ! "Ziehe" wieder in Gedanken an den grünen Kraftpfeilen!

(6) Ihr Auftritt - Kommutator !

Dieses "Vertauschen" der Stromrichtung macht der Kommutator (commutare=lat. 'vertauschen'). Dies sind die zwei halbkreisförmigen Leiterteile (in den Photos rot und blau), die Dir bestimmt schon aufgefallen sind.

Oberhalb der Horizontallage der Leiterschleife (also für Winkel < 90 Grad) liegt die - Zuführung der Quelle am roten Teil des Kommutators (grüne Pfeile). Die Elektronen bewegen sich im Teil 1 nach oben und im Teil 2 nach hinten (graue Pfeile).

Ist der Winkel von 90 Grad überschritten, so bekommt der rote Teil des Kommutators nun mit der + Zuführung der Quelle Kontakt. Die Stromrichtung kehrt sich um. Im Leiterteil 2 bewegen sich die Elektronen nun nach vorn (graue Pfeile). Dieser Wechsel der Stromrichtung erfolgt bei 90 Grad und zurück bei 270 Grad, also immer, wenn die Leiterschleife durch die waagrechte Stellung geht. In den nächsten zwei Darstellungen auf dieser Seite dreht sich der Motor einmal im "Original" und einmal in der Schemendarstellung - quasi in Zeitlupe. Vergleiche!

Noch ein paar Fragen zum Nachdenken:

wie bringt man den Motor dazu, gegen den Uhrzeigersinn zu drehen?
(es gibt zwei Möglichkeiten ....)
Was macht dieser Motor, wenn man an die Zuführungen Wechselspannung anlegt?