Das Geheimnis des Elektromotors: Von Kraft bis Kommutator

A: Wenn wir über Elektromotoren sprechen, geht es ja immer darum, elektrische Energie in mechanische Bewegung umzuwandeln. Aber wie genau fängt diese Bewegung eigentlich an?

B: Das Grundprinzip beruht auf der sogenannten Lorentzkraft. Stell dir vor, wir haben eine einfache Leiterschleife, also einen rechteckigen Draht, der an eine Stromquelle angeschlossen ist. Diese Schleife platzieren wir jetzt in das Magnetfeld eines Dauermagneten, zum Beispiel eines Hufeisenmagneten.

A: Ah, also haben wir Strom in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet. Und das ist genau die Konstellation, in der die Lorentzkraft ins Spiel kommt, richtig?

B: Genau. Wenn Strom durch die Leiterschleife fließt, wirkt auf bestimmte Abschnitte dieser Schleife eine Kraft. Aber eben nicht auf alle. Entscheidend sind die Längsseiten der Schleife, die senkrecht zu den Magnetfeldlinien stehen.

A: Und warum nur die Längsseiten? Was ist mit den kurzen Seiten, vorne und hinten?

B: Auf die vordere und hintere Seite wirkt keine Lorentzkraft, weil der Strom dort parallel zu den Magnetfeldlinien fließt. Die Kraft ist maximal, wenn Strom und Feld senkrecht zueinander stehen, und null, wenn sie parallel sind.

A: Verstanden. Und um die Richtung dieser Kraft zu bestimmen, nutzen wir doch die bekannte Drei-Finger-Regel, oder?

B: Exakt! Oft auch als Rechte-Hand-Regel bekannt. Stell dir vor, du streckst Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger im rechten Winkel zueinander aus. Der Daumen zeigt die technische Stromrichtung an, der Zeigefinger die Richtung des Magnetfeldes – also von Nord nach Süd. Und der Mittelfinger? Der zeigt dir dann die Richtung der Lorentzkraft.

A: Also, wir haben gesehen, wie die Lorentzkraft auf die einzelnen Seiten der Leiterschleife wirkt. Was passiert aber, wenn wir diese Kräftewirkung auf die gesamte Schleife betrachten?

B: Genau. Die beiden Längsseiten der Schleife, die ja senkrecht zu den Magnetfeldlinien stehen, erfahren entgegengesetzt gerichtete Kräfte. Das haben wir ja mit der Drei-Finger-Regel bestimmt.

A: Das ist entscheidend! Diese entgegengesetzten Kräfte bilden ein sogenanntes Kräftepaar. Und ein Kräftepaar... was bewirkt das typischerweise?

B: Ein Kräftepaar erzeugt ein Drehmoment. Das ist die physikalische Größe, die eine Drehbewegung auslöst. Bei unserer Leiterschleife versetzt dieses Drehmoment die Schleife in Rotation.

A: Perfekt. Und wenn wir uns jetzt die Situationen auf unserem Arbeitsblatt anschauen: In Situation 1, wo die Schleife horizontal liegt, haben wir das maximale Drehmoment. Die Kräfte greifen am weitesten vom Drehpunkt an, der Hebelarm ist am größten.

B: Absolut. Dann, in Situation 2, wenn die Schleife schon etwas gedreht ist, nimmt das Drehmoment ab, weil der effektive Hebelarm kleiner wird.

A: Und in Situation 3, wenn die Schleife vertikal steht, ist das Drehmoment sogar null. Die Kräfte wirken dann direkt durch die Drehachse und versuchen nur noch, die Schleife auseinanderzuziehen, aber sie drehen sie nicht mehr weiter. Das ist unser sogenannter „Totpunkt“.

A: Also, wir haben jetzt verstanden, wie diese Lorentzkraft ein Drehmoment erzeugt und die Schleife in Bewegung setzt. Aber wir hatten ja diesen kritischen Punkt, den „Totpunkt“, wo das Drehmoment null wird. Was passiert dann? Die Schleife würde doch einfach stehen bleiben oder sogar zurückschwingen, oder?

B: Ganz genau. Ohne eine clevere Lösung würde sie das tun, und wir hätten keine durchgehende Drehbewegung. Hier kommt der Kommutator ins Spiel, auch Stromwender oder Kollektor genannt. Er ist der Schlüssel zur kontinuierlichen Rotation.

A: Ah, der Kommutator! Das ist dieser geteilte Ring, richtig? Wie genau löst er das Problem, dass die Kraftrichtung sich umkehren würde und die Schleife stoppt?

B: Der Kommutator sorgt dafür, dass die Stromrichtung in der Leiterschleife genau dann umgepolt wird, wenn die Schleife den Totpunkt passiert, also alle 180 Grad. Das bewirkt, dass die Lorentzkraft immer in die gleiche Drehrichtung wirkt. Jede Seite der Schleife behält ihre „Zieh- oder Schubrichtung“ bei, relativ zum Magnetfeld. So wird aus einem schaukelnden Impuls eine stetige, kontinuierliche Drehung.