30 Tage kostenlos testen:
Mehr Spaß am Lernen.

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Elektromotor 07:21 min

Textversion des Videos

Transkript Elektromotor

Das Thema dieses Films ist der Elektromotor. Elektromotoren sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie treiben Lokomotiven, Straßenbahnen, Kräne und Pumpen an, Kinderspielzeug oder auch Festplatten und DVD-Player. Und wahrscheinlich sind sie die Zukunft des Individualverkehrs. Vom Fahrrad mit Elektrounterstützung bis zum Elektroauto. Wie aber funktioniert ein Elektromotor? Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische umwandelt. Am Anfang steht dabei ein einfacher, zylindrisch aufgewickelter Draht. Eine Spule. Eine Spule, durch die ein Gleichstrom fließt, erzeugt ein Magnetfeld mit einem Nord- und einem Südpol. Wird eine solche Spule drehbar, etwa zwischen den beiden Polen eines Hufeisenmagneten aufgehängt, wirken die magnetischen Kräfte. Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen sich an. Die drehbar aufgehängte Spule, die Anker genannt wird, beginnt zu rotieren, in diesem Fall gegen den Uhrzeigersinn. Allerdings nur so weit, bis der Anker parallel zu den magnetischen Feldlinien steht. Denn jetzt wirken keine magnetischen Kräfte mehr auf ihn ein, die ihn weiter rotieren lassen. Stattdessen halten ihn diese Kräfte nun in seiner Position fest. In einem Elektromotor soll der Anker jedoch weiter rotieren, um kontinuierlich Bewegung zu erzeugen. Wenn das geschieht, dürfen die Ankerwicklungen nicht fest an eine Stromquelle angeschlossen sein. Stattdessen wird in die Spannungsversorgung des Ankers ein Stromwender eingefügt. Ein kleines aber effektives Bauteil, das der deutsch-russische Physiker Moritz Hermann von Jacobi 1834 erfand. Der Stromwender besteht aus einem Schleifring und zwei Schleifkontakten. Diese werden Bürsten genannt und bestehen meistens aus Kohle. Der Schleifring ist in zwei Segmente unterteilt, die jeweils mit einem Pol der Ankerwicklungen verbunden sind. Dazwischen liegt eine isolierende Schicht. Im Ausgangszustand ist dann zum Beispiel Pol 1 mit dem Plus- und Pol 2 mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden. Das bleibt zunächst auch so wenn der Stromwender gedreht wird. Hat der Stromwender sich aber so weit gedreht, dass die Bürsten die Isolierschicht des Schleifrings erreichen, ist keiner der beiden Pole mehr mit der Spannungsquelle verbunden. Der Stromwender ist stromlos. Wird der Stromwender noch ein bisschen weiter gedreht, kehrt sich das Spannungsverhältnis des Ausgangzustands um. Jetzt ist Pol 2 mit dem Plus- und Pol 1 mit dem Minuspol des Bauteils verbunden. Darum heißt es auch Stromwender, oder Lateinisch Kommutator. Wie wirkt sich der Einbau des Kommutators nun auf unseren im Magnetfeld rotierenden Anker aus? Zu Beginn steht der Anker wieder senkrecht zu den magnetischen Feldlinien des umgebenden Magneten. Die gleichnamigen Pole stoßen einander ab, die ungleichnamigen ziehen sich an. Der Anker beginnt gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren. Kurz bevor er nun aber wieder die Position erreicht, in der ihn keine Kräfte mehr weiterbewegen würden, erreichen die Bürsten die Isolierschicht des Schleifrings und schalten den Anker stromlos. Jetzt wirken keine magnetischen Kräfte mehr auf den Anker, die ihn festhalten würden. Infolge der eigenen Trägheit rotiert der Anker daher noch ein Stück in seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung weiter. Dadurch treten die Bürsten wieder in Kontakt mit den Polen des Ankers. Nun jedoch erfüllt der Kommutator, der Stromwender, seine Aufgabe und kehrt die Polung des Ankers und damit das Magnetfeld gegenüber dem Ausgangszustand um. Dann wirken sofort wieder die magnetischen Kräfte. Zunächst vor allem die Abstoßungskräfte der gleichnamigen Pole. Bis etwa eine Viertelumdrehung weiter erneut die Anziehungskräfte der ungleichnamigen Pole stärker wirken. Erreichen die Bürsten nach einer Drehung des Ankers um beinahe 180° wieder die Isolierschicht des Schleifrings, wiederholt sich der Vorgang. Der Motor läuft jetzt ohne Unterbrechung. Das war bereits das Funktionsprinzip des ersten von einem Elektromotor angetriebenen Schiffs. Das 1834 auf dem Fluss Neva in Sankt Petersburg über sieben Kilometer zurücklegte. Unser einfacher Gleichstromelektromotor hat allerdings einen entscheidenden Nachteil. Kommt er just in dem Zustand zur Ruhe, in dem der Anker stromlos geschaltet ist, können wir ihn nicht starten. Wir müssen ihn dann zunächst von außen in Bewegung versetzen. Eleganter ist die Lösung einen zweiten Anker mit eigenem Kommutator im rechten mit dem ersten Anker zu verbinden. So ist gewährleistet, dass immer einer der beiden Anker mit der Stromquelle verbunden ist und die Rotationsbewegung in Gang setzen kann. Moderne Elektromotoren haben nicht nur einen oder zwei, sondern eine ganze Reihe von Ankern mit einer entsprechenden Anzahl zusätzlicher Segmente am Kommutator. Der Magnet, in dem unser Anker gelagert war, muss übrigens nicht unbedingt ein Permanentmagnet sein, sondern kann auch ein von derselben Stromquelle gespeister Elektromagnet sein. Das ermöglicht dann eine weitere Bauart des Elektromotors. Statt die Polung des Magnetfelds des Ankers umzukehren wird hier per Wechselstrom die Polung des umliegenden Magneten umgekehrt. Ein solcher Wechselstromelektromotor kommt ohne Kommutator aus. Es muss nur sichergestellt werden, dass die Umpolung des Magnetfelds so getaktet ist, dass der Anker stets vorwärts bewegt und nicht etwa gebremst wird. Moderne Elektromotoren entwickeln erstaunliche Leistungen. So bringt es dieser elektrisch angetriebene Sportwagen auf 225 kW. Das ist etwa eintausend mal so viel wie beim Elektroschiff auf der Neva. Das größte Problem bei Elektromotoren, die nicht an eine feste Stromquelle angeschlossen sind, ist aber immer noch die Stromversorgung. Der Akku dieses Flitzers zum Beispiel füllt nicht nur den Raum aus, der normalerweise für den Tank benötigt wird, sondern den gesamten Kofferraum gleich mit.

11 Kommentare
  1. Gibt es noch weitere Bezeichnungen für den Anker, falls ja welche?

    Von Angelina N., vor 6 Monaten
  2. Mechanisch wurde falsch ausgesprochen

    Von Itslearning Nutzer 2535 23651, vor 6 Monaten
  3. Das beste Physik Video!

    Von Joerg Schuster, vor 12 Monaten
  4. Sehr schön erklärt!👍🏽

    Von Jonathan J., vor etwa 2 Jahren
  5. sehr gutes video!!!!

    Von M Kose, vor mehr als 2 Jahren
  1. @Ellisprung77

    durch den Kommutator wird genau in diesem Moment, indem sich ungleichnamigen Pole gegenüberstehen, umgepolt, so das sich die nun gleichnamigen Pole wieder abstoßen. Und so dreht sich der Rotor immer weiter.

    Von Karsten Schedemann, vor mehr als 3 Jahren
  2. Eine kleine Frage:
    Ich habe noch nicht ganz verstanden wie sich der Anker weiter drehen kann wenn er an den gleichnamigen Poeln angekommen ist?

    Von Ellisprung77, vor mehr als 3 Jahren
  3. Vielen Dank das Video hat mir sehr dabei geholfen dieses Thema zu verstehen

    Von Heideroskar, vor fast 4 Jahren
  4. sehr gutes video

    Von Molladominika, vor etwa 4 Jahren
  5. Unglaublich gut erklärt! Danke!

    Von Iris Dd, vor mehr als 4 Jahren
  6. Cool! Hab mir sehr geholfen!!!

    Von Jwseo2002, vor mehr als 4 Jahren
Mehr Kommentare

Elektromotor Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektromotor kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme die Drehung.

    Tipps

    Gleiche Pole stoßen sich ab.

    Der Motor dreht sich nicht mehr, wenn zwei ungleichnamige Pole beieinander liegen.

    Lösung

    Die gleichnamigen Pole zweier Magneten (zwei Nordpole oder zwei Südpole) stoßen einander ab, während ungleichnamige Pole einander anziehen. Der drehbare Magnet wird sich deshalb so ausrichten, dass die ungleichnamigen Pole beieinander liegen (rot mit grün). Im dritten Bild liegen diese Pole bereits beieinander, deshalb dreht sich der Magnet nicht weiter. Bei den anderen Bildern wird sich der Magnet so drehen, dass er mit der kürzesten Drehung die ungleichnamigen Pole zueinander bringt.

  • Korrigiere die Beschreibung des Elektromotors.

    Tipps

    Ein externes Magnetfeld ist eines, das nicht durch den Magneten selbst hervorgerufen wird.

    Eine Stromquelle liefert einen gleichbleibenden Gleich- oder Wechselstrom mit konstanter Spannung

    Generatoren erzeugen aus Rotationsenergie elektrische Energie.

    Lösung

    Der drehbar gelagerte Magnet in einem Elektromotor ist im Normalfall ein Elektromagnet, der aus einem Eisenkern und einer Spule besteht. Dies hat den Vorteil, dass die Flussrichtung des elektrischen Stroms in der Spule die Polung des elektrischen Magneten angibt. Mit der Stromrichtung kann deshalb auch die Polung schnell angepasst werden. Das externe Magnetfeld bezeichnet dabei das Feld des zweiten Magneten, der ebenfalls ein elektrischer Magnet oder ein Permanentmagnet sein kann.

    Der innere Magnet dreht sich dann aufgrund der magnetischen Kräfte, wobei der Kommutator die Spannung an der Spule des inneren Magneten und damit auch seine Polung anpasst.

    Mit einem Elektromotor kann man beispielsweise Autos, Pumpen oder Fahrräder antreiben, aber keine Generatoren oder Verkehrsflugzeuge. Generatoren erzeugen schließlich elektrischen Strom und Verkehrsflugzeuge verwenden große Triebwerke, die über den Rückstoß vorankommen. Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor ist der elektrische Antrieb sehr effizient.

  • Beschreibe den Elektromotor

    Tipps

    Einen Kommutator bezeichnet man auch als Stromwandler.

    Ein Generator ist eine Maschine zur Erzeugung von elektrischem Strom.

    Lösung

    Ein einfacher Elektromotor besteht aus dem drehbar gelagerten Anker und einem Elektromagneten mit Spule, der sich im Magnetfeld eines Permanentmagneten drehen kann. Der Anker richtet sich dabei immer nach den magnetischen anziehenden und abstoßenden Kräften aus, die auf ihn wirken.

    Ein Kommutator, oder Stromwender, versorgt die Spule des Ankers mit Strom und regelt auch ihre Polung, indem er die Stromrichtung im richtigen Moment umkehrt. Der Kommutator ist über die Schleifkontakte mit einer Spannungsquelle verbunden.

  • Erkläre den Wechselstrom-Elektromotor.

    Tipps

    Durch eine Wechselspannung ändert sich laufend die Polung beider Magneten.

    Lösung

    Der Motor läuft auch mit Wechselstrom wie gewohnt. Das Vorzeichen der Spannung ändert sich zwar laufend, aber da die gleiche Spannung an beiden Elektromagneten anliegt, ändert sich die Beziehung zwischen den beiden Magneten nicht. Denn wenn die wechselnde Spannung die Pole des äußeren Magneten vertauscht, dann vertauscht sie im gleichen Moment auch die Pole des inneren Magneten. Die wirkenden Kräfte ändern sich dadurch also nicht.

  • Erkläre die Funktionsweise eines Elektromotors.

    Tipps

    Bei einer Spule bestimmt die angelegte Spannung (positiv oder negativ) die Polung des Magnetfeldes.

    Gleichnamige Pole stoßen sich ab.

    Lösung

    In einem Elektromotor dreht sich ein Elektromagnet, der sogenannte Anker, aufgrund der magnetischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte im Magnetfeld eines zweiten Magneten. Die Polung des Ankers wird dabei mithilfe des Kommutators, oder Stromwechslers immer dann getauscht, wenn der Südpol des Ankers den Nordpol des zweiten Magneten erreicht hat, beziehungsweise umgekehrt. Die magnetischen Kräfte drehen sich dann um, sodass sich der Anker weiter dreht. Der Kommutator wechselt die Polung des Magneten, indem er die Spannung umdreht. Der Strom fließt dann umgekehrt durch die Ankerspule und erzeugt deshalb auch ein umgedrehtes Magnetfeld.

    In modernen Elektromotoren hat der Anker nicht mehr nur eine, sondern gleich eine Vielzahl an Spulen, sodass die Drehbewegung runder verläuft. Zudem ist der äußere Magnet meist ebenfalls ein Elektromagnet.

  • Finde den effizientesten Motor.

    Tipps

    Ein Benzinmotor ist weniger effizient als ein Dieselmotor.

    Elektrische Energie lässt sich besonders effizient umwandeln.

    Lösung

    Verbrennungsmotoren, wie Dieselmotoren oder Benzinmotoren sind deutlich weniger effizient, als Elektromotoren. Ein Benzinmotor setzt nur 25% der gesamten chemischen Energie des Benzins in kinetische Energie, also Bewegungsenergie um, der Rest geht als Wärmeverluste oder Schallverluste verloren. Ein Dieselmotor bringt es immerhin auf 33%. Da sich die elektrische Energie eines Elektromotors besonders effizient umsetzen lässt, erreichen Elektromotoren sehr hohe Wirkungsgrade. Der absolute Rekord liegt bei einem Wirkungsgrad von 99,5% für einen Elektromotor.

    Die Erfindung der Dampfmaschine war zwar ein großer Fortschritt für den Menschen, aber heute wäre ihr Einsatz nicht mehr sinnvoll. Dampfmaschinen erreichten nur einen Wirkungsgrad von 3 bis 10% aus der Verbrennung von Kohle.