Der einfachste Elektromotor der Welt!

Elektromotoren kennst du aus dem Alltag, sie werden beispielsweise bei der Herstellung von Autos verwendet. Ihre Funktionsweise basiert dabei auf der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. In dieser Anleitung zeigen wir dir, wie du den einfachsten Elektromotor der Welt, auch Monopolar-, Unipolar- oder Homopolar-Motor genannt, baust und damit das Prinzip eines Elektromotors veranschaulichen kannst.

Was du dafür brauchst

Wenn Du unser Give Away Experiment auf den Informationstagen für Studieninteressierte erhalten hast, kannst Du direkt losexperimentieren. Alternativ benötigst du die folgenden Materialien:

• eine Batterie der Größe AA
• eine Schraube
• ein etwa 7 cm langes Kupferkabel
• ein Neodym-Magnet

Versuchsaufbau: In drei Schritten zum Elektromotor

1. Setze die Schraube auf den Zylindermagneten (Neodym-Eisen-Bor-Magnet).

2. Hänge die Schraube-Magnet-Konstruktion an den Minuspol der Mignon-Batterie

3. Verbinde den Pluspol der Batterie über das Kupferkabel mit dem Magneten.

Wieso erhalten wir einen Elektromotor?

Magnet und Schraube verbinden sich zum sog. Rotor (also dem beweglichen Teil des Elektromotors), der dadurch selbst magnetisch wird und direkt an den Minuspol der Batterie gehängt werden kann.

Der Rotor erfüllt dabei zwei konstruktive Aufgaben: zum einen hält der Magnet wesentliche Bestandteile des Motors zusammen und zum anderen stellt die Schraube an der oberen Seite des Rotors ein magnetisches Spitzenlager mit geringer Reibung und kleinem elektrischen Widerstand dar. An der unteren Seite sorgt die Schwerkraft dafür, dass der Rotor stets nach unten gerichtet bleibt und durch das sog. Luft-Schwerkraft-Lager ebenfalls eine sehr geringe Reibung erfährt.

Der Stator, also der unbewegliche Teil des Motors, besteht aus dem Kupferdraht, der den Pluspol der Batterie mit dem Magneten verbindet.

Und siehe da: Die Konstruktion aus Schraube und Magnet rotiert!

Was steckt physikalisch dahinter?

Im Prinzip erzeugen wir mit diesem Experiment einen Kurzschluss in der Batterie, d.h. der Strom kann direkt vom Minuspol zum Pluspol fließen. Bei einem Kurzschluss treten sehr hohe elektrische Ströme auf, die in unserem Fall durch die Schraube, den Magneten und das Kabel fließen. Dabei sind die Elektronen einem starken Magnetfeld ausgesetzt. Als geladene Teilchen werden sie dabei durch die sog. Lorentzkraft abgelenkt. Als Reaktion tritt eine Gegenkraft auf, die zu einem Drehmoment führt: Die Konstruktion aus Schraube und Magnet beginnt zu rotieren.

In welcher Richtung fließt der technische Strom?

Der Strom fließt vom Pluspol der Batterie über das Kabel zum Rand des Dauermagneten , von dort bis zu seiner Rotationsachse und dann über die Schraube zum Minuspol der Batterie.

Welche Richtung hat der Magnetfeldvektor innerhalb des Dauermagneten?

Neodym-Eisen-Bor-Magnete erzeugen starke Magnetfelder, deren Verlauf mit Hilfe von Magnetfeldlinien verdeutlicht werden kann. Aus dem Physikunterricht wissen wir, dass die magnetischen Feldrichtungen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol und innerhalb vom Süd- zum Nordpol verlaufen. Der Magnetfeldvektor für die innerhalb des Magneten verlaufenden Feldlinien zeigt also nach unten.

Wie wirkt die Lorenzkraft?

Damit steht der Magnetfeldvektor senkrecht auf dem Stromvektor, der sich daraus ergebene Vektor der Lorentzkraft steht wiederum senkrecht auf der Fläche, die vom Strom- und Magnetfeldvektor aufgespannt wird. Schließlich sorgt diese Lorentzkraft dafür, dass sich der Rotor dreht.

In welcher Richtung wird sich der Rotor drehen?

Die Lorentz-Kraft, die Magnetfeldrichtung und der Strom sind also jeweils senkrecht zueinander gerichtet. Die Drehrichtung des Rotors wird durch die Lorentzkraft bestimmt.

Man kann sie anhand der Drei-Finger-Regel der rechten Hand bestimmen.

Daumen: Technische Stromrichtung (Achtung: Diese geht von + nach -, ist also der tatsächlichen Bewegungsrichtung der Elektronen entgegengesetzt).

Zeigefinger: Magnetfeld

Mittelfinger: Lorentzkraft

In unserem Experiment dreht sich der Rotor also nach rechts.

Aufgrund der hohen Stromstärke, des starken Magnetfeldes und der geringen magnetischen Reibung des magn. Spitzenlagers, des Luft-Schwerkraft-Lagers und des Schleifers erreicht der Motor eine sehr hohe Drehzahl.

Anwendung im Alltag

Obwohl dieser Elektromotor aufgrund der instabilen Konstruktion und dem geringen Wirkungsgrad für technische Anwendungen ungeeignet ist, lässt sich damit sehr gut die Umsetzung von elektrischer in mechanische Energie illustrieren und das Prinzip des ersten Elektromotors veranschaulichen, der 1821 von Michael Faraday entwickelt wurde.

Achtung: Supermagnete sind kein Kinderspielzeug

"Werden sie in die Nähe von magnetischen Datenspeichern wie Smartphones, Kreditkarten oder USB-Sticks gebracht, können Daten gelöscht werden! Bei Verschlucken sofort den Notarzt rufen.