Elektrische Ströme und Magnetfelder

Da man für einen Elektromotor einen Elektromagneten braucht, sehen wir uns erst einmal an, wie der funktioniert. Elektrische Ströme sind von Magnetfeldern umgeben. Ein linienförmiger Strom ist dabei von ringförmigen Magnetfeldlinien umgeben. Ist der Leiter eine Schleife, bildet das Magnetfeld einen Schlauch aus Ringen um die Schleife. Wie sich Richtung von Strom und Magnetfeldlinien verhalten, kann man in der Abbildung 1 sehen – rot sind die elektrischen Ströme, schwarz die Feldlinien dargestellt. Fließt der Strom nach unten, sind die Feldlinien im Uhrzeigersinn gerichtet. Bei der Schleife (links unten) fließt der Strom gegen den Uhrzeigersinn und die Feldlinien sind im Innern der Schleife in die Bildschirmebene hineingerichtet.
Um sich die Richtungen merken zu können, gibt es folgende Regel: Der Daumen der linken Hand zeigt in die physikalische Stromrichtung, also in die Richtung, in die Elektronen fließen, von Minus nach Plus. Dann zeigen die gekrümmten Finger in die Richtung der Magnetfeldlinien.

Oft wird auch die technische Stromrichtung verwendet. Diese zeigt von Plus nach Minus. In dem Fall nimmt man die rechte Hand für die o.g. Regel.

  Abb. 1a ¦ Magnetfelder um elektrische Ströme  

Bildunterschrift Elektrische Ströme (rot, dicke Linien) sind von Magnetfeldern (schwarz, dünne Linien) umgeben. Die Richtung der Magnetfelder hängt von der Richtung der Ströme ab. Ein linienförmiger Strom ist von einem ringförmigen Magnetfeld umgeben. Wickelt man einen stromführenden Draht zu einer Spule auf, addieren sich die Felder der Drahtwindungen im Innern der Spule zu einem (nahezu) homogenen Magnetfeld mit gerade verlaufenden Feldlinien. Setzt man nun mehrere Spulen ringförmig zusammen, erhält man im Innern des Rings ein torusförmiges Magnetfeld. Bildunterschrift Ende

  Abb. 1b ¦ Elektromagnet und Permanentmagnet  

Bildunterschrift Eine Spule kann daher als Elektromagnet benutzt werden. Der Nordpol ist analog zum Permanentmagneten dort, wo die Feldlinien austreten. Bildunterschrift Ende

  Abb. 1c ¦ Magnetfeld in Öl

BildunterschriftMagnetfeldlinien, sichtbar gemacht mit Eisenfeilspänen in Speiseöl. Öl und Eisenspäne befinden sich im Deckel eines Marmeladenglases – das hat den Vorteil, dass der Magnet darunter haftet und das Muster auch erhalten bleibt, wenn man den Deckel herumträgt. Der verwendete Magnet ist ein Permanentmagnet.Bildunterschrift Ende

Selbstgebauter Elektromagnet

Auf dem Foto sehen Sie einen mit einfachen Mitteln selbst gebauten Elektromagneten:

  Abb. 2 ¦ Selbst gebauter Elektromagnet  

Bildunterschrift Eine große Eisenschraube wird mit lackiertem Kupferdraht umwickelt, so dass eine Spule entsteht. Die Enden des Drahtes werden an die Pole einer Batterie geklemmt. Der durch den Draht fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, dessen beide Pole an den Enden der Spule liegen. Die Eisenschraube verstärkt das Magnetfeld der Spule noch, da das Eisen im Spulenfeld magnetisiert wird – und zwar so, dass seine Magnetisierung in der Richtung des Spulenfeldes liegt. Mit diesem Elektromagneten kann man dann bspw. kleine Nägel aufheben.
Lackiert muss der Draht sein, damit die einzelnen Spulenwindungen gegeneinander isoliert sind.

Versuchsanleitung hier:
Spiel, das Wissen schafft. Hans-Jürgen Press, Otto Mayer Verlag, Ravensburg, 1967.Bildunterschrift Ende

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. Fließt nun ein elektrischer Strom durch die Drahtschleife, wird sie zu einem Magneten (einem Elektromagneten). Bei der eingezeichneten Stromrichtung ist das Feld im Inneren der Drahtschleife nach oben gerichtet, außerhalb von ihr nach unten. Wo die Feldlinien die – hier aus nur einer einzigen Wicklung bestehenden – Spule verlassen, liegt der Nordpol des Elektromagneten – in der Abbildung also oben.
Die Drahtschleife liegt dabei 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 und Nord- und Südpol können daher nicht getrennt auftreten. In Wirklichkeit bilden die beiden Pole die Enden eines Magneten mit einem Hohlraum zwischen sich. 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. 3 ¦ Prinzip des Gleichstrom-Elektromotors  

Bildunterschrift Prinzip des Gleichstrom-ElektromotorsBildunterschrift Ende

Funktion des Elektromotors

Wir haben also zwei Magneten, die sich gegenseitig beeinflussen. Und zwar 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.
Um zu verstehen, wieso das hilft, müssen wir etwas weiter ausholen. Je nach Anzahl der Elektronen pro Atom können Atome kleine Magneten sein oder auch nicht. Das kommt daher, dass jedes Elektron einen kleinen Magneten darstellt, deren Ausrichtung im Atom parallel oder antiparallel sein kann. Je nachdem, wie viele Elektronen ein Atom hat, können sich die Magnetfelder der Elektronen daher aufheben oder aber es kann ein magnetisches Moment übrig bleiben. In dem Fall ist das Atom selbst ein kleiner Magnet. Ausführlicher wird dieses Thema hier behandelt: Magnetismus.
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.

Selbstgebauter Elektromotor

Auf diesem Foto sehen Sie einen – völlig zweckfreien, aber witzigen – selbst gebauten Elektromotor:

  Abb. 4a ¦ Selbst gebauter Elektromotor  

Bildunterschrift Ein lackierter Kupferdraht wird zu einer Spule von 10 bis 15 Windungen gewickelt, an beiden Seiten läßt man ein Ende als Zuleitung stehen. Von den Zuleitungen wird einseitig der Lack abgekratzt. Aus zwei Büroklammern werden die Verbindungen zu den Kontakten der Batterie gebogen und an der Batterie mit Klebeband befestigt. Ein Magnet (aus einem Türschnäpper) wird an die Batterie geheftet und die Spule mit den Zuführungen in die Büroklammern gelegt. Nun muss man noch ein bisschen justieren, biegen und probieren, bis ein Anstoßen der Spule diese in Drehung versetzt. Bildunterschrift Ende

  Abb. 4b ¦ Der Elektromotor in Aktion (Video)  

BildunterschriftDer Film hat ca. 5 MB. Bildunterschrift Ende

Immer, wenn die unlackierte Seite der Stromzuführung Kontakt mit den Büroklammern (also der Batterie) hat, bekommt die Spule Strom und erzeugt ein Magnetfeld. Dessen Pole werden von den entgegengesetzten Polen des Türschnäppermagneten angezogen und versetzen die Spule in Drehung. Die Drehung würde zum Stillstand kommen, wenn sich ungleichnamige Pole der Magnetfelder von Spule und Magnet gegenüberliegen.
Durch die Drehung kommt nun aber die lackierte (also die isolierte) Seite in Kontakt mit der Batterie, der Stromfluss bricht ab, das Magnetfeld verschwindet – und damit auch die Anziehung der Magnetpole, die den Stillstand bewirken würde. Die Spule dreht sich aufgrund ihres eigenen Schwunges aber weiter, bis der Kontakt wieder durch die unlackierte Drahtseite hergestellt ist und der Strom wieder fließt. Es entsteht wieder ein Magnetfeld um die Spule und die neuerliche Anziehung der Pole hät die Drehung aufrecht.