Читать книгу Phil's Physics - Philip Häusser - Страница 9

Magneten können ganz schön stark sein. Auf einem Schrottplatz beispielsweise gibt es sogar Kräne mit Magneten, die ein ganzes Auto durch die Luft hieven können. Magneten ziehen aber nicht nur Metall an. Sie können auch Strom ablenken! Klingt unglaublich, ist aber das grundlegende Prinzip eines jeden Elektromotors. Und weil das so einfach ist, bauen wir jetzt selbst einen Elektromotor – aus einem Magneten, einer Batterie und ein bisschen Draht.

SO WIRD’S GEMACHT

Als erstes bauen wir uns eine sogenannte Spule. Das ist ein Draht, der ganz oft im Kreis gewickelt wird. Wenn später Strom durch diese Spule fließt, geht er erst ganz oft im Kreis herum, bevor er die Spule wieder verlässt. Das wird noch nützlich sein.

Messt an einem Ende des Kupferlackdrahtes etwa 5 cm ab. Ab da wickelt ihr den Draht mindestens zehnmal um die Batterie, so dass eine saubere Spule entsteht. Je enger die Windungen, desto besser. Der Draht soll keine Spirale ergeben. Wickelt deshalb lieber den Draht übereinander statt nebeneinander.

Schneidet das andere Ende des Drahtes so ab, dass links und rechts von den kreisförmigen Windungen gleich viel übersteht. Benutzt eine Zange (oder starke Finger) um die beiden Enden um die Windungen herum fest zu knoten. Durch die Lackierung des Kupferlackdrahtes fließt der Strom später auch wirklich durch alle Windungen und nimmt keine »Abkürzung«, auch wenn die Windungen eng aneinander liegen.

Da der Draht eine isolierende Beschichtung hat, wir aber einen Stromkreis herstellen wollen, müssen wir die Beschichtung jetzt an den geraden Endstücken entfernen. Das bekommt ihr beispielsweise hin, indem ihr die Enden ein paarmal durch die Zangenspitzen schleift. Zum Schluss zieht ihr die Enden noch gerade, so dass die Spule ganz symmetrisch ist.

Als nächstes bauen wir aus dem unbeschichteten Draht zwei Halterungen. Dazu schneiden wir jeweils ein 5 cm langes Stück Draht ab. Mit der Zange formt ihr an jeweils einem Ende der beiden Drahtstücke eine Öse. Sie sollte so klein sein, dass der Draht an den Seiten der Spule gerade so durchpasst und die Drahtstücke guten Kontakt miteinander haben.

Jetzt könnt ihr mit dem Klebeband die beiden Halterungen an den beiden Enden der Batterie befestigen. Steckt vorher die Spule durch die Ösen. Damit haben wir einen geschlossenen Stromkreis aus der Drahtspule, den Halterungen und der Batterie. Strom fließt dann von einem Ende der Batterie in die Stütze, durch die Spule und über die andere Stütze wieder in die Batterie. Passt auf, wenn ihr den Motor zusammen baut. Hier fließt jetzt Strom! Die Stromstärke ist zwar nicht gefährlich, aber der Draht kann ganz schön heiß werden, wenn sich der Motor nicht dreht, der Stromkreis aber schon geschlossen ist.

Damit der Motor läuft, fehlt nur noch der Magnet. Befestigt ihn direkt unterhalb der Spule auf der Batterie oder haltet ihn seitlich unterhalb der Spule. Wenn ihr jetzt die Spule antippt, fängt sie an, sich um die eigene Achse zu drehen.

SO FUNKTIONIERT ES

Der Effekt, den ihr hier sehen könnt, heißt Induktion. Ein sperriges Wort für ein cooles Phänomen. Durch den Draht fließt Strom aus der Batterie von einem Ende zum anderen. Weil die Stellen zwischen den verschiedenen Drahtstücken alle leitend sind, fließt der Strom also einmal hoch, das gerade Stück entlang, ein paarmal im Kreis, geradeaus weiter und wieder runter.

Strom kann man sich vorstellen als eine Polonaise von Elektronen. Sie wandern alle hintereinander und nebeneinander den Leiter entlang. Ist ein Magnet in der Nähe, übt er eine magische Wirkung auf die Elektronen aus: Er bildet ein Feld (das Magnetfeld), durch das die Elektronen abgelenkt werden. Schuld daran ist die Lorentzkraft. Sie tritt immer dann auf, wenn sich geladene Teilchen, beispielsweise wie in unserem Fall Elektronen, in einem Magnetfeld bewegen. Die Kraft wirkt dann senkrecht zur Bewegungsrichtung der Teilchen. In unserer Drahtspule bedeutet das: Weil der Magnet ein Magnetfeld erzeugt und Elektronen aufgrund der angeschlossenen Batterie durch den Draht wandern, wollen die Elektronen senkrecht zur Bewegungsrichtung ausweichen. Das geht nur, wenn sich der Draht anfängt zu drehen. Und fertig ist unser Elektromotor!

Jetzt versteht ihr auch, warum die Spule so clever ist: Weil hier der Strom ganz oft direkt über dem Magneten im Kreis läuft, summiert sich die Lorentzkraft und die Drehbewegung wird stärker. Am oberen Teil der Spule wirkt die Kraft in die andere Richtung als am unteren Teil der Spule. So wird die Rotation immer weiter angetrieben.

AUF DEM WEG ZUM ELEKTROMOTOR

Was ihr hier gebaut habt, ist ein vollwertiger Elektromotor. Die Motoren in Spielzeugautos beispielsweise funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Eine Steuerung regelt, wie stark der Strom durch die Spule fließt. Je stärker der Strom, desto schneller die Drehung. Wenn euer gebauter Elektromotor nur schleppend läuft, kann es also sein, dass die Batterie schon alle ist. Möglicherweise ist aber auch der Magnet zu schwach. Ein weiterer Knackpunkt ist die Lagerung der Spule. Wenn sich diese nur schwer drehen lässt, reicht die Lorentzkraft nicht aus, um das Ding in Gang zu setzen. Dann solltet ihr die Ösen ein bisschen vergrößern und sicher stellen, dass sich die Spule locker dreht, wenn ihr sie anschubst.

DAS GANZE GEHT AUCH RÜCKWÄRTS!

Wir haben jetzt gesehen, dass Elektronen, die sich durch ein Magnetfeld bewegen, abgelenkt werden. Die so entstehende Kraft reicht aus, um einen ganzen Draht in Bewegung zu setzen. Hier war der Antrieb der Elektronen ja die Batterie. Sie hat die Elektronen in Bewegung versetzt, denn Elektronen wollen immer von »minus« nach »plus« wandern. Die elektrische Energie wird also mithilfe eines Magnetfelds zum Teil in Bewegungsenergie umgewandelt.

Den ganzen Spaß kann man aber auch umkehren und Bewegungsenergie in elektrische Energie verwandeln! Wie das geht? Nach genau demselben Prinzip. Denkt euch mal die Batterie weg. Stellt euch vor, ihr dreht von Hand die Spule über dem Magneten. Was passiert? Na klar, die Elektronen im Draht sind durch die Rotation in Bewegung. Und wenn sich Elektronen in einem Magnetfeld bewegen, wirkt die Lorentzkraft auf sie – sie werden abgelenkt! Diesmal in Richtung Drahtende. Am einen Ende des Drahts sammeln sich dann ganz viele Elektronen. Es entsteht eine elektrische Spannung zwischen den beiden Enden des Drahts.

Genau das passiert in einem Dynamo an eurem Fahrrad! Darin stecken auch ein Magnet und eine Spule. Die Bewegungsenergie aus dem Rad, die den Dynamo-Kopf dreht, bewegt den Magnet an der Spule vorbei. In der Spule entsteht eine Spannung und diese bringt die Fahrradlampe zum Leuchten.