Mit einer Batterie, einem starken Magneten, etwas Kupferdraht und ein paar Haushaltsutensilien lässt sich zu Hause ohne große Schwierigkeit ein einfacher Gleichstrommotor selbst bauen. Es muss nur ein wenig gebastelt werden.
Was wird gebraucht?
- eine 1,5-Volt-Batterie der Größe C oder D (Baby oder Mono).
- zwei große Sicherheitsnadeln
- ein etwa 1 m langer, dünner Kupferlackdraht, erhältlich im Baumarkt (solche Drähte sind mit einer dünnen, isolierenden Lackschicht überzogen)
- ein starker Magnet
- ein Haushaltsgummi
Was ist zu tun?
Man nehme das Kabel und wickle es etwa zehn- bis 15-mal um die Batterie. Am besten verwendet man für dieses Physik-Experiment eine Batterie, die wiederaufladbar ist. Danach nehme man die so erhaltene „Spule“ von der Batterie ab und knote die herausragenden Enden des Kupferlackdrahtes rechts und links an der Spule fest, sodass sich der Draht nicht wieder abwickeln kann.
Dann werden diese Drahtenden auf eine Länge von etwa drei Zentimetern gekürzt. Der Lack wird an diesen Enden einseitig mit einem Taschen- oder Bastelmesser vom Draht gekratzt – also entweder nur oben oder nur unten (siehe Grafik).
Die Sicherheitsnadeln klemmt man mit einem Haushaltsgummi an die Pole der Batterie, hänge den Draht in die Ösen der Nadeln ein und befestige den Magneten zwischen Batterie und Spule. Dann stoße man die Spule ein wenig an und beobachte, was passiert. Eventuell muss man den Magneten nochmals umdrehen oder die Drehrichtung der Spule im Magnetfeld ändern. Zusätzlich kann man noch einen weiteren Magneten über die Spule halten. Achtung: Der Draht wird nach kurzer Zeit heiß.
Was ist geschehen?
Mit dem Kupferdraht erzeugt man in der Batterie einen Kurzschluss, sodass hohe Ströme durch die Drahtspule über dem Magneten fließen.
Auch bewegte Ladungen wie Elektronen erzeugen jedoch ein Magnetfeld. Dies wird in der Grafik unten gezeigt. Entsprechend kommt es zur Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Permanentmagneten sowie dem Magnetfeld der bewegten Ladungen.
In der Grafik ist auch zu sehen, was für Kräfte infolgedessen auf die Kupferdrahtspule wirken: Fließt der Strom im Uhrzeigersinn, so wirkt auf den oberen Halbkreis eine Kraft nach hinten und auf den unteren Halbkreis eine Kraft nach vorne.
So ist auch zu verstehen, warum man den Lack nur auf einer Seite des Drahtes entfernen darf. Würde man ihn auf beiden Seiten entfernen und sich die Spule um 180 Grad drehen, so flösse der Strom entgegen dem Uhrzeigersinn. Je nach Stromrichtung würde die Kraft dann einmal in die eine und einmal in die andere Richtung weisen und sich in ihrer Wirkung gerade aufheben. Die Spule käme schnell zum Stillstand.
Um dies zu vermeiden, wird die Lackschicht nur auf einer Seite des Drahtes abgekratzt.
In Gleichstrommotoren von Elektrogeräten und -fahrzeugen kommen üblicherweise Kommutatoren oder Stromwender zum Einsatz, damit der Strom nur in eine Richtung fließt.
Die Kraft auf bewegte Ladung im Magnetfeld wird Lorentzkraft genannt. Um ihre Richtung zu ermitteln, wird die sogenannte Drei-Finger-Regel angewendet. Man verwendet dazu die rechte Hand, wobei der Daumen, der Zeigefinder und der Mittelfinger jeweils für die Richtung des Stroms, des Magnetfeldes sowie der ablenkenden Kraft stehen (siehe Grafik – die Pfeile stehen senkrecht aufeinander).
Dieses Phänomen im Alltag
Gleichstrommotoren, auch Kommutatormotoren genannt, kommen im Alltag überall zum Einsatz, vor allem wenn man kleine Motoren benötigt oder Motoren, deren Drehzahl und Kraft leicht zu regulieren sein soll. Außerdem haben Gleichstrommotoren einen hohen Wirkungsgrad, was für batteriebetriebene Geräte günstig ist.
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Der kleinste Elektromotor der Welt
Quelle: Die Idee zu diesem Experiment stammt von folgendem Produkt „Der Gleichstrommotor“
