Elektromagnet und Elektromotor
Auf dem Schrottplatz in Duisburg hebt ein Kran tonnenschwere Autoteile aus Stahl mit einer riesigen runden Scheibe an. Sobald der Kranführer einen Schalter betätigt, fallen die Teile wieder herunter. Ein gewöhnlicher Magnet kann das nicht. Wie funktioniert dieser „Magnet zum Ausschalten“, und wie kann man mit demselben Prinzip einen Motor antreiben?
Vom Draht zum Elektromagneten
Aus Klasse 6 weißt du: Magnete haben ein Magnetfeld. Das Besondere: Auch ein stromdurchflossener Draht ist von einem Magnetfeld umgeben. Eine Kompassnadel neben dem Draht schlägt aus, sobald Strom fließt, und fällt zurück, wenn der Strom abgeschaltet wird.
Das Feld eines geraden Drahtes ist schwach. Wickelt man den Draht aber zu einer Spule, überlagern sich die Felder aller Windungen. Im Inneren der Spule entsteht ein starkes Feld. Es sieht aus wie das eines Stabmagneten mit Nordpol und Südpol.
Steckt man in die Spule einen Eisenkern, wird das Magnetfeld viel stärker, weil sich das Eisen selbst mitmagnetisiert. Spule mit Eisenkern heißt Elektromagnet.
Die Wirkung ist stärker, wenn …
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die Stromstärke größer ist,
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die Spule mehr Windungen hat,
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ein Eisenkern in der Spule steckt.
Je mehr Windungen, desto stärker ist der Elektromagnet. Je größer die Stromstärke, desto stärker ist er ebenfalls.
Vorteile gegenüber einem Dauermagneten: Man kann ihn ein- und ausschalten, seine Stärke regeln und die Pole vertauschen, indem man die Batterie umpolt.
Ein stromdurchflossener Draht wird zu einer Spule gewickelt, die einen Eisenkern enthält. a) Wie nennt man diese Anordnung? b) Nenne zwei Möglichkeiten, ihre Wirkung zu…
Ein stromdurchflossener Draht wird zu einer Spule gewickelt, die einen Eisenkern enthält.
- a) Wie nennt man diese Anordnung?
- b) Nenne zwei Möglichkeiten, ihre Wirkung zu verstärken.
Nenne zwei Vorteile eines Elektromagneten gegenüber einem Dauermagneten.
Nenne zwei Vorteile eines Elektromagneten gegenüber einem Dauermagneten.
Auf einem Schrottplatz hebt ein Kran mit Elektromagnet Eisenteile. a) Wie lässt er die Teile wieder los? b) Warum eignet sich ein Dauermagnet dafür schlechter?
Auf einem Schrottplatz hebt ein Kran mit Elektromagnet Eisenteile.
- a) Wie lässt er die Teile wieder los?
- b) Warum eignet sich ein Dauermagnet dafür schlechter?
Je mehr Windungen, desto stärker
Wie findet man heraus, was den Elektromagneten stärker macht? Man ändert immer nur eine Größe und hält die anderen gleich. So gehst du im Versuch vor:
Trenne immer Beobachtung (was man sieht oder misst) und Deutung (die Erklärung dafür). „Die Last fällt bei 200 Windungen ab“ ist Beobachtung, „das Feld ist zu schwach“ ist Deutung.
Ein Elektromagnet hat 200 Windungen und trägt bei $1\,\text{A}$ eine Last von $2\,\text{N}$. Bei 400 Windungen und gleicher Stromstärke trägt er mehr. a) Formuliere eine…
Ein Elektromagnet hat 200 Windungen und trägt bei $1\,\text{A}$ eine Last von $2\,\text{N}$. Bei 400 Windungen und gleicher Stromstärke trägt er mehr.
- a) Formuliere eine „je – desto“-Aussage.
- b) Wie ändert sich die Tragkraft, wenn man bei gleicher Windungszahl die Stromstärke erhöht?
Der Elektromotor
Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Du findest ihn im Spielzeugauto, in der Zahnbürste, im Fahrradlicht oder in der Straßenbahn.
Die Hauptbauteile eines einfachen Gleichstrommotors:
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ein Dauermagnet (oder Elektromagnet) als feststehender Teil, der Stator: er erzeugt das Magnetfeld,
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eine drehbare Spule (Anker, Rotor) zwischen den Polen,
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der Stromwender (Kommutator) mit Schleifkontakten (Kohlebürsten), der den Strom in die Spule bringt,
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eine Stromquelle, z. B. eine Batterie.
Das Prinzip: Die stromdurchflossene Spule ist selbst ein Magnet. Auf die Drähte der Spule im Magnetfeld des Dauermagneten wirken Kräfte. In der linken und der rechten Spulenseite (den Drähten quer zum Feld) fließt der Strom in entgegengesetzter Richtung, daher wirken die Kräfte in entgegengesetzte Richtungen: die eine Seite wird nach vorn, die andere nach hinten gedrückt. Sie erzeugen eine Drehung.
Nenne die Hauptbauteile eines einfachen Elektromotors.
Nenne die Hauptbauteile eines einfachen Elektromotors.
Beschreibe in Worten, warum sich die Spule eines Elektromotors dreht. a) Welche Kräfte wirken auf die Spule im Magnetfeld? b) Welche Aufgabe hat der Stromwender…
Beschreibe in Worten, warum sich die Spule eines Elektromotors dreht.
- a) Welche Kräfte wirken auf die Spule im Magnetfeld?
- b) Welche Aufgabe hat der Stromwender (Kommutator)?
Stromwender und Drehrichtung
Nach einer Vierteldrehung hätte die Spule ihre Gleichgewichtslage erreicht (Spulenebene senkrecht zum Feld): Danach würden die Kräfte sie wieder zurückdrehen. Ohne weitere Maßnahme würde sie nur hin und her schwingen.
Hier hilft der Stromwender. Er polt die Spule bei jedem Durchgang durch die Gleichgewichtslage um, also zweimal pro Umdrehung (alle halbe Umdrehung). Dadurch kehrt sich die Stromrichtung in der Spule um, und damit auch ihre Pole und die Kraftrichtungen. Die Spule wird weiter in derselben Drehrichtung angetrieben.
Wenn man beide Änderungen vornimmt, kehrt sich die Kraftrichtung zweimal um und der Motor läuft wie vorher.
Motor stärker machen: mehr Windungen, größere Stromstärke (stärkere Batterie), stärkerer Magnet, Eisenkern in der Spule.
Belastung: Bei hoher Last muss der Motor mehr Kraft aufbringen. Beobachtung: Bei hoher Last dreht sich der Motor langsamer, es fließt mehr Strom und die Spule erwärmt sich stärker. Deshalb kann ein überlasteter Motor heiß werden.
Ein Elektromotor in einem Spielzeugauto soll schneller laufen und stärker sein. a) Nenne drei Maßnahmen. b) Erkläre, warum ohne Stromwender die Spule nur hin und her…
Ein Elektromotor in einem Spielzeugauto soll schneller laufen und stärker sein.
- a) Nenne drei Maßnahmen.
- b) Erkläre, warum ohne Stromwender die Spule nur hin und her schwingen würde.
Ein Schüler beobachtet, dass der Motor seiner Modelleisenbahn nach Umpolen der Batterie die Richtung wechselt. a) Trenne Beobachtung und Deutung. b) Erkläre die…
Ein Schüler beobachtet, dass der Motor seiner Modelleisenbahn nach Umpolen der Batterie die Richtung wechselt.
- a) Trenne Beobachtung und Deutung.
- b) Erkläre die Richtungsumkehr mit magnetischen Kräften.
- c) Warum läuft ein Motor mit hoher Last langsamer und erwärmt sich stärker?
Anwendung: die elektrische Klingel
Die Klingel zeigt, wie nützlich ein Elektromagnet ist, den man ein- und ausschalten kann. Sie besteht aus Elektromagnet mit Eisenkern, einem Anker mit Klöppel und einem Unterbrecherkontakt.
Der Ablauf wiederholt sich sehr schnell: Der Klöppel schlägt immer wieder an, solange du den Taster drückst.
Der Kern muss aus Eisen sein, denn nur Eisen wird im Magnetfeld der Spule selbst magnetisch und verstärkt das Feld. Kupfer ist kein magnetischer Stoff.
Vorgang beschrieben: Vom Anfang der Seite: Der Schrottplatz-Kran schaltet den Elektromagneten mit dem Strom ein und aus. Im Motor sorgen magnetische Kräfte und der Stromwender für die Dauerdrehung.
Eine elektrische Klingel enthält einen Elektromagneten und einen Unterbrecherkontakt. a) Beschreibe Schritt für Schritt, wie der Klöppel immer wieder anschlägt. b) Warum…
Eine elektrische Klingel enthält einen Elektromagneten und einen Unterbrecherkontakt.
- a) Beschreibe Schritt für Schritt, wie der Klöppel immer wieder anschlägt.
- b) Warum ist ein Eisenkern günstiger als einer aus Kupfer?