Kraft, Drehmoment und der Polwender
Im Magnetfeld wirkt auf einen stromdurchflossenen Leiter eine Kraft.
- RichtungDie Kraft steht senkrecht auf Feldrichtung und Stromrichtung.
- LeiterschleifeAuf beiden Seiten fließt der Strom entgegengesetzt.
- FolgeDie beiden Kräfte zeigen in entgegengesetzte Richtungen.
- ErgebnisDie Schleife dreht sich — es entsteht ein Drehmoment.
Der Kommutator — der Trick mit dem Umpolen
Ohne ihn würde sich die Schleife nach einer halben Umdrehung zurückdrehen.
- ProblemNach einer halben Umdrehung stünden die Kräfte falsch herum.
- KommutatorDer Polwender vertauscht genau dann die Stromrichtung in der Ankerwicklung.
- BauteilEr arbeitet über Schleifkontakte.
- ErgebnisDas Drehmoment wirkt immer in dieselbe Richtung.
Wirkungsgrad eines Elektromotors:
η = PmechPel mit Pel = U · I
Pel: Zugeführte elektrische Leistung in Watt (W).
Pmech: Abgegebene mechanische Leistung in Watt (W).
η: Wirkungsgrad, ohne Einheit, stets kleiner als 1.
Kraft: Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft senkrecht zu Feld- und Stromrichtung. In der Leiterschleife zeigen die Kräfte entgegengesetzt, es entsteht ein Drehmoment.
Kommutator: Der Polwender vertauscht nach einer halben Umdrehung die Stromrichtung, sodass das Drehmoment immer in dieselbe Richtung wirkt.
Umkehrung: Von außen angetrieben, liefert derselbe Aufbau Spannung. Wegen der Verluste ist \( \eta < 1 \).
Motor und Generator sind derselbe Aufbau.
- MotorElektrische Energie wird zu Bewegungsenergie.
- VerlusteWicklung und Lager erwärmen sich — deshalb ist η kleiner als 1.
- UmkehrungVon außen angetrieben, liefert derselbe Aufbau Spannung.
Stromstärke und Windungszahl bestimmen, wie stark der Elektromagnet die Büroklammern anzieht.
Allgemeine Hinweise
Drei Punkte, an denen beim Motor die meisten Fehler passieren.
Kraft senkrecht zu Feld
Die Kraft steht senkrecht auf Feld und Strom — parallel zum Feld wirkt keine Kraft.
Leistungen in Watt einsetzen
Pel und Pmech beide in Watt einsetzen; η hat keine Einheit.
Drehrichtung umkehren
Nur eine der beiden Umkehrungen ändert die Drehrichtung — beide zusammen heben sich auf.