Wie wird aus elektrischem Strom eine Drehbewegung? Verstehe Kräftepaar, Rotor und Kommutator am einfachen Gleichstrommotor – mit beschrifteten Modellen, Beispielen und Aufgaben.
Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.
Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.
Lernschritt 1
Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Er kann beispielsweise eine Welle antreiben, die über weitere Bauteile einen Ventilator, ein Fahrzeug oder eine Maschine bewegt.
Auf dieser Seite betrachten wir einen einfachen Gleichstrommotor mit Permanentmagneten, Bürsten und geteiltem Kommutator. Andere Motorarten können anders aufgebaut sein und etwa elektronisch statt mechanisch umgeschaltet werden.
Die Grundidee baut auf der Kraft auf stromdurchflossene Leiter auf. In der Spule fließt der Strom auf zwei gegenüberliegenden Leiterseiten in entgegengesetzte Richtungen. Im äußeren Magnetfeld wirken dadurch ebenfalls entgegengesetzte Kräfte. Diese können die Spule drehen.
Lernschritt 2
Die Bürsten drehen sich nicht mit. Sie liegen an den Kommutatorsegmenten an, die zusammen mit der Spule rotieren. Die Spule muss elektrisch isolierte Windungen besitzen; die Segmente des Kommutators dürfen nicht einfach leitend miteinander verbunden sein.
Die Bürsten bleiben stehen
Die beiden elektrisch getrennten Ringsegmente drehen sich mit der Spule. Jedes Segment ist mit einem Spulenende verbunden.
Beim Weiterdrehen wechselt die Zuordnung zu den Quellenpolen. Quelle und Anschlussdrähte sind für die Übersicht weggelassen.
Das Bild zeigt die Kontaktidee ohne vollständige Verkabelung. Jedes Segment ist mit einem Spulenende verbunden. Beim Weiterdrehen wechselt, welches Spulenende über die Bürsten mit welchem Quellenpol verbunden ist.
Lernschritt 3
Entgegengesetzte gleich große Kräfte können zusammen eine resultierende Kraft von null haben und trotzdem eine Drehwirkung erzeugen. Entscheidend ist, dass sie an verschiedenen Stellen angreifen und ihre Wirkungslinien nicht zusammenfallen.
Die beiden Kräfte bilden dann ein Kräftepaar. In der gezeigten Lage zieht die Kraft die linke Spulenseite nach oben und die rechte nach unten. Beide Beiträge drehen die Spule aus unserer Blickrichtung im Uhrzeigersinn.
Die Kraft auf eine Leiterseite berechnest du in der senkrechten Anordnung mit F = B · I · l. Für das Drehmoment musst du zusätzlich den jeweiligen senkrechten Abstand der Kraftwirkungslinie zur Achse berücksichtigen.
„Die Kräfte heben sich auf, deshalb passiert nichts“ ist hier falsch. Die gemeinsame Verschiebungswirkung kann null sein, während eine Drehwirkung erhalten bleibt.
Vorgehen · Schritt für Schritt
Warum dreht sich die Spule, obwohl die Kräfte entgegengesetzt sind?
Betrachtet wird das auf dieser Seite beschriebene Schulmodell.
| Beobachtung / Entscheidung | Erklärung zum Schritt |
|---|---|
| Links ↑ · rechts ↓ |
1Angriffspunkte betrachten
Die Kräfte greifen auf verschiedenen Seiten der Drehachse an. |
| Beide Beiträge: ↻ |
2Drehwirkungen einzeln prüfen
Links nach oben und rechts nach unten treiben aus dieser Blickrichtung beide im Uhrzeigersinn an. |
| Kräftebilanz ≠ Drehbilanz |
3Wirkungen unterscheiden
Die resultierende Kraft kann null sein, während ein Drehmoment bleibt. |
Lernschritt 4
Ausgangslage
Links: technischer Strom heraus, Kraft nach oben. Rechts: Strom hinein, Kraft nach unten. Das Drehmoment wirkt im Uhrzeigersinn.
A und B sind dieselben Leiterseiten. Nach ½ Drehung tauschen sie Plätze; der Kommutator hat den Strom in ihnen umgepolt. Verbindungslinie nur als Orientierungshilfe.
Nach einer halben Drehung
Links: technischer Strom heraus, Kraft nach oben. Rechts: Strom hinein, Kraft nach unten. Das Drehmoment wirkt im Uhrzeigersinn.
A und B sind dieselben Leiterseiten. Nach ½ Drehung tauschen sie Plätze; der Kommutator hat den Strom in ihnen umgepolt. Verbindungslinie nur als Orientierungshilfe.
Die Buchstaben A und B kennzeichnen dieselben beiden Leiterseiten während der Drehung. Nach einer halben Umdrehung stehen sie auf den jeweils anderen Seiten der Achse.
Damit das Drehmoment in derselben Richtung weiterwirkt, hat der Kommutator inzwischen die Stromrichtung in der Spule umgekehrt. An der jetzt linken Position zeigt der technische Strom wieder aus dem Bild heraus, an der rechten hinein. Die Kräfte zeigen wieder links nach oben und rechts nach unten.
Ohne diese Umpolung würden die Ströme mit den Leiterseiten die Plätze tauschen und die Kräfte nach der halben Drehung ein entgegengesetztes Drehmoment erzeugen. Die Spule würde nicht dauerhaft im gewünschten Drehsinn angetrieben.
Das Modell vergleicht zwei ausgewählte Lagen. Es ist keine vollständige Bewegungssimulation. Während der Drehung verändern sich die Hebelarme und damit das Drehmoment. Die gestrichelte Linie zwischen den Querschnitten dient nur zur Orientierung.
Lernschritt 5
Bei einer einzelnen einfachen Spule gibt es Lagen, in denen das magnetische Drehmoment null wird. Die magnetische Ausrichtung der Spule ist dann mit dem äußeren Feld ausgerichtet; die Kraftwirkungslinien liefern keine Drehwirkung um die Achse. Diese Lage wird im Schulmodell oft Totpunkt genannt.
Der Kommutator schaltet die Stromrichtung im passenden Bereich um diese Lage um. Eine bereits laufende Spule kann durch ihre Trägheit darüber hinwegdrehen. In einer ungünstigen Startlage kann ein Modell mit nur einer Spule aber nicht von selbst anlaufen.
Praktische Motoren besitzen deshalb häufig mehrere geeignet angeordnete Wicklungen und mehrere Kommutatorsegmente. Dadurch wird die Drehwirkung gleichmäßiger und das Anlaufen zuverlässiger.
Der Kommutator ist nicht dasselbe wie zwei durchgehende Schleifringe. Schleifringe halten jeweils die Verbindung zu demselben Spulenende aufrecht. Der geteilte Kommutator sorgt für den regelmäßigen Wechsel der Zuordnung.
Lernschritt 6
Bei unserem Permanentmagnet-Gleichstrommotor kehrt ein Tausch der Quellenpole die Stromrichtung in der Rotorspule um. Weil das äußere Feld gleich bleibt, kehren sich Kräfte und Antriebsmoment um. Der Motor wird im entgegengesetzten Drehsinn angetrieben.
Auch ein Umdrehen nur des äußeren Magnetfeldes kehrt die Drehwirkung um. Werden dagegen Stromrichtung und äußeres Feld gleichzeitig umgekehrt, bleibt die Richtung des Drehmoments gleich.
Diese Bedingung ist wichtig bei Motoren, deren Statorfeld ebenfalls durch Strom erzeugt wird. Eine allgemeine Aussage „Anschlüsse tauschen dreht jeden Motor um“ wäre falsch. Zuerst muss klar sein, welche Ströme und Felder sich tatsächlich ändern.
Lernschritt 7
Ein Motor wandelt nur einen Teil seiner elektrischen Eingangsleistung in nutzbare mechanische Leistung um.
Beispiel · Schritt für Schritt
Welche Nutzleistung gibt der Motor ab?
Gleichstrombetrieb: U = 6 V; I = 0,50 A; η = 60 %.
| Rechnung | Erklärung zum Schritt |
|---|---|
| Pₑₗ = U · I |
1Eingangsleistung bestimmen
Spannung und Strom gehören zum selben Betriebspunkt. |
| Pₑₗ = 6 V · 0,50 A = 3 W |
2Einsetzen
Volt mal Ampere ergibt im betrachteten Gleichstrombetrieb Watt. |
| Pₘₑch = 0,60 · 3 W = 1,8 W |
3Nutzleistung berechnen
60 % entsprechen 0,60. |
| Pᵥ = 3 W − 1,8 W = 1,2 W |
4Energiebilanz prüfen
Die übrige Leistung wird vor allem in Wärme umgesetzt. |
Beispiel · Schritt für Schritt
Welche Energie gibt der Motor in 10 s ab?
Konstante Nutzleistung P = 1,8 W; t = 10 s.
| Rechnung | Erklärung zum Schritt |
|---|---|
| E = P · t |
1Leistung und Energie verbinden
Leistung ist übertragene Energie pro Zeit. |
| E = 1,8 W · 10 s = 18 J |
2Einsetzen
Ein Watt entspricht einem Joule pro Sekunde. |
Ein Motor kann im Stillstand ein Drehmoment ausüben, ohne mechanische Leistung über eine rotierende Welle abzugeben. Zur Leistung gehört auch die Drehgeschwindigkeit. Stromaufnahme und Wirkungsgrad können sich mit der Last ändern.
Lernschritt 8
Beim Motor wird elektrische Energie zugeführt und mechanische Arbeit abgegeben. Beim Generator wird mechanische Arbeit zugeführt und elektrische Energie abgegeben. Beide nutzen Zusammenhänge zwischen Strom, Magnetfeld, Kräften und Induktion.
Ein Motor dreht nicht, weil Elektronen wie kleine Kugeln mechanisch gegen den Rotor schlagen. Das Drehmoment entsteht durch die magnetischen Kräfte und die räumliche Anordnung der stromdurchflossenen Leiter.
Praktische Versuche nur angeleitet mit geeigneten Schulmotoren, passenden Kleinspannungsquellen und frei beweglicher Welle. Keine Steckdosen verwenden, Leitungen nicht kurzschließen und zulässige Ströme beachten.
Selbst ausprobieren
Mit Tipps lernen oder ohne Hilfe testen – du entscheidest.
Wähle deine Stufe. Du löst jeweils sechs Aufgaben mit direkter Rückmeldung, Tipps und Rechenwegen.
Optional: Dein Fortschritt wird nur in diesem Browser gespeichert.
Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.
Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.
Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.
Physikhelfer
Berechne Eingangsleistung, Nutzleistung und Wirkungsgrad. Für Kräfte und Drehmomente stehen passende Grundmodelle bereit: Leiter senkrecht zum Magnetfeld und jeweils senkrechter Hebelarm. Kommutierung und Drehrichtung erklärst du mit den Aufgaben auf dieser Seite. Wähle deine gesuchte Größe und lass dir den Rechenweg Schritt für Schritt zeigen.
Kostenlos und ohne Anmeldung. Ein Rücklink führt dich wieder zu dieser Erklärung.
Dein Wissen anwenden
Löse die Aufgaben zuerst auf Papier. Öffne danach die Lösung. Bei einem Fehler führt dich der Link zur passenden Erklärung zurück.
Elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. In einem realen Motor treten zusätzlich Verluste auf.
Erklärung wiederholen →Sie greifen an verschiedenen Stellen an. Ihre Wirkungslinien bilden ein Kräftepaar und können trotz resultierender Kraft null ein Drehmoment erzeugen.
Erklärung wiederholen →Er vertauscht im passenden Drehbereich die Verbindung der Spulenenden zu den Quellenpolen, sodass die Stromrichtung in der Spule wechselt und der Antrieb im gewünschten Drehsinn weiterwirkt.
Erklärung wiederholen →Die Kraftrichtungen und das Antriebsmoment kehren sich um. Der Motor wird in die entgegengesetzte Drehrichtung angetrieben.
Erklärung wiederholen →Pel = 12 V · 0,20 A = 2,4 W.
Erklärung wiederholen →η = 7 W geteilt durch 10 W = 0,70 = 70 %. Im stationären Beispiel bleiben 3 W als Verlustleistung.
Erklärung wiederholen →Der Selbstcheck hilft dir zu erkennen, welchen Schritt du noch üben solltest. Rechne nach einer Korrektur eine ähnliche Aufgabe ohne Hilfe.
Nein. Diese Seite erklärt den einfachen Bürsten-Gleichstrommotor. Andere Motoren verwenden andere Feld- und Umschaltverfahren, etwa elektronische Ansteuerung.
Sie kann in einer Lage ohne antreibendes Drehmoment stehen. Mehrere Wicklungen und geeignete Anordnung verbessern bei praktischen Motoren das Anlaufen.
Bei blockiertem Rotor fehlt die drehzahlabhängige Gegenspannung. Ein hoher Strom kann den Motor stark erwärmen und beschädigen.
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