ElektromotorElektrische Ströme und MagnetfelderDa 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. Show
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 Endenach oben springen Selbstgebauter ElektromagnetAuf dem Foto sehen Sie einen mit einfachen Mitteln selbst gebauten Elektromagneten: Lackiert muss der Draht sein, damit die einzelnen Spulenwindungen gegeneinander isoliert sind. Versuchsanleitung hier: nach oben springen Prinzipieller Aufbau eines ElektromotorsEin Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. (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.) nach oben springen Funktion des ElektromotorsWir 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. 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. nach oben springen Magnetisierung von EisenZur Verstärkung des Magnetfeldes der Spule (also des Elektromagneten) steckt man in die
Spule noch einen Eisenkern. nach oben springen Selbstgebauter ElektromotorAuf diesem Foto sehen Sie einen – völlig zweckfreien, aber witzigen – selbst gebauten Elektromotor: 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. © Wiebke Salzmann, November 2008 nach oben springen Was passiert mit 2 in gleicher Richtung Stromdurchflossenen parallelen Leitern?Jeder der beiden stromdurchflossenen, nicht-ferromagnetischen Leiter ruft in seiner Umgebung eine magnetische Wirkung hervor. Das Zusammenspiel dieser beiden Wirkungen führt offensichtlich zu den Kräften zwischen den Leitern.
Wie verhalten sich zwei stromdurchflossene Leiter die parallel zueinander liegen?Beide, parallel zueinander liegende, dünne Leiter erfahren gleich große Kraft. Je nach Richtung des elektrischen Stroms, ist sie abstoßend oder anziehend.
Wann ziehen sich zwei Leiter an?Liegen zwei Leiter mit gleicher Stromrichtung nebeneinander, so ziehen sie sich an. Das Feldlinienbild zeigt, dass das Magnetfeld zwischen den Leitern abgeschwächt und außerhalb der Leiter gestärkt wird. Liegen zwei Leiter mit unterschiedlicher Stromrichtung nebeneinander, so stoßen sie sich voneinander ab.
Warum ziehen sich 2 stromdurchflossene Leiter an?Nach dem Biot-Savart-Gesetz existiert um einen stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld und auf einen zweiten stromdurchflossenen Leiter bewirkt dies eine Lorentzkraft, also üben zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufeinander aus.
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