Aufbau und Funktionsweise eines Elektromotors

In vielen Geräten , v. a. in Haushaltsgeräten, sind heute Elektromotoren eingebaut, die elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandeln. Der Elektromotor ist deshalb ein wichtiges Lehrplanthema in Physik, da sein Funktionsprinzip auf zwei wesentlichen Grundprinzipien der Elektrizitätslehre und Magnetismus aufbaut. Der Elektromotor zeigt zudem, wie diese beiden “theoretische” Prinzipien sinnvoll im Alltag eingesetzt werden

Funktionsweise eines Elektromotors

Die Funktionsweise eines Elektromotors basiert zum einen auf dem Prinzip, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt. Zum anderen basiert der Elektromotor darauf, dass sich gleichnamige magnetische Pole (die sich gegenüberliegen) abstoßen. Auf diese “einfache” Weise kann Strom bzw. ein Stromfluss (= elektrische Energie) dazu verwendet werden, eine Bewegung zu “erzwingen”. Daher werden Elektromotoren dazu verwendet, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.

Aufbau eines Elektromotors

Im Wesentlichen besteht ein Elektromotor aus einer drehbar gelagerten Spule (mit einem Eisenkern), die über sogenannte Schleifkontakte an einen Stromkreis angeschlossen wird. Diese Spule wird vom Strom durchflossen und erzeugt so ein Magnetfeld. Da sich die Spule in dem magnetischen Feld eines Magneten befindet, wirken nun Kräfte auf diese Spule. Da diese Spule drehbar gelagert ist, dreht sich diese Spule und treibt damit über eine Achse bzw. eine Welle eine Bewegung an

Aufbau eines Elektromotors

Durch den Magneten (ein Dauer- oder ein Elektromagnet) wird im Elektromotor ein magnetisches Feld aufgebaut. In diesem magnetischen Feld ist eine Spule (mit einem Eisenkern, um die magnetische Wirkung zu verstärken) drehbar gelagert. Dieser Teil des Elektromotors wird auch als Rotor bezeichnet. Ist nun der Elektromotor an eine Stromquelle angeschlossen und Strom fließt, bildet sich an der Spule (dem stromdurchflossenen Leiter) ein Magnetfeld. Die Feldlinien bzw. die Polung dieses Magneten ist abhängig von der Stromrichtung (siehe Lorentz-Regel).

Da die Spule (als stromdurchflossener Leiter) ebenfalls von einem Magnetfeld umgeben ist, kommt es zur Wechselwirkung dieses Magnetfeldes mit dem Magnetfeld des Dauermagneten. So stoßen sich gleichnamige Pole ab bzw. ziehen sich ungleichnamige Pole an. Dadurch dreht sich die Spule soweit, bis die Wechselwirkung zwischen beiden “Magneten” zu keiner Drehbewegung mehr führt (dies ist der Fall, wenn die Spule die vertikale Position erreicht und sich ungleichnamige Pole gegenüberliegen – siehe obige Abbildung). In der Realität aber, stoppt die Drehbewegung nicht an der vertikalen Position, sondern etwas über der vertikalen Position (aufgrund des Schwungs der Spule).

Damit die Spule nun in gleicher Richtung weiterdreht (und nicht stehenbleibt oder in die vertikale Position vom Magnetfeld des Dauermagneten angezogen wird), muss nun die Polung des Magnetfeldes getauscht werden. Dazu wechselt man die Stromrichtung durch die Spule, so dass sich die Polung des Magnetfeldes umgekehrt. Sind die beiden magnetischen Pole vertauscht, kommt es wieder zur Wechselwirkung beider Magnetfelder, wobei die Spule sich um eine Halbdrehung weiterdreht (durch den Polungstausch befinden sich wieder gleichnamige magnetische Pole gegenüber, wodurch es zu einer Abstoßung und einer Drehbewegung kommt).

Dieser Ablauf findet periodisch statt. Es kommt zu einer Drehbewegung, bis sich ungleichnamige Pole gegenüberliegen (Halbdrehung). Dann erfolgt die Umpolung des Magnetfeldes, dass durch die stromdurchflossene Spule erzeugt wird. Da sich nun gleichnamige Pole gegenüberstehen, kommt es zu einer Abstoßung und einer Drehbewegung. Diese Drehbewegung entspricht einer Halbdrehung bis sich wieder ungleichnamige Pole gegenüberliegen.


Aufbau und Funktionsweise eines Elektromotors – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist ein Elektromotor und wie funktioniert er?

Ein Elektromotor ist ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Es funktioniert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, wo ein Strom durch eine Spule fließt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches wiederum eine Kraft auf den Rotor ausübt, um ihn zu drehen.

2. Welche Hauptkomponenten hat ein Elektromotor?

Die Hauptkomponenten eines Elektromotors sind der Rotor, der Stator, die Wicklungen und der Kommutator.

3. Was ist die Rolle des Rotors in einem Elektromotor?

Der Rotor ist der drehbare Teil eines Elektromotors, der die mechanische Energie erzeugt.

4. Was ist die Rolle des Stators in einem Elektromotor?

Der Stator ist der statische Teil eines Elektromotors, der das Magnetfeld erzeugt, welches den Rotor dreht.

5. Was ist eine Wicklung in einem Elektromotor und welche Rolle spielt sie?

Die Wicklung ist eine Reihe von Drahtschleifen, durch die der Strom fließt, um das Magnetfeld zu erzeugen, das den Rotor dreht.

6. Was ist ein Kommutator in einem Elektromotor und welche Rolle spielt er?

Ein Kommutator ist ein Schalter, der die Richtung des Stroms in den Wicklungen umkehrt, damit der Rotor weiter in die gleiche Richtung dreht.

7. Was ist der Unterschied zwischen einem Gleichstrom- und einem Wechselstrommotor?

Ein Gleichstrommotor verwendet einen konstanten Strom, während ein Wechselstrommotor einen Strom verwendet, der periodisch seine Richtung ändert.

8. Wie ändert ein Elektromotor die Richtung seiner Drehung?

Die Richtung der Drehung eines Elektromotors kann geändert werden, indem die Richtung des Stroms, der durch die Wicklungen fließt, umgekehrt wird.

9. Was ist das Prinzip der elektromagnetischen Induktion?

Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion besagt, dass ein Strom in einer Spule erzeugt wird, wenn sie einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt ist.

10. Nennen Sie drei Anwendungen von Elektromotoren.

Elektromotoren finden Anwendung in vielen Bereichen wie Haushaltsgeräte, Fahrzeuge und Industriemaschinen.