Warum dreht sich das?

Arno Wetzel

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Hallo Freunde!

Mein Sohn hat sich für seine schulische Projektarbeit ein Physik-Thema ausgesucht. U.a. soll er das Funktiosprinzip eines E-Motors erklären und auch einen bauen. Ersteres ist noch relativ einfach für uns beide zu bewältigen, nur beim Bau tun wir uns etwas schwer.
Nun hat mein Sohn eine altes YPS-Comic heraus gekramt, wo eine sehr einfache Konstruktion beschrieben ist, jedoch komme ich hierbei in leichten Erklärungsnotstand.
Zur Konstruktion:

Aus Lackdraht wird ein Ring geformt, die beiden Enden werden zum Schluss nochmals um den Ring gewickelt.



Die so entstandene Spule wird in ein kleines Gestell gelegt, sie liegt dort auf zwei CU-Streifen auf. Man kann auf dem Bild einen Magneten erkennen. Innerhalb des roten Gehäuses ist eine Mignon-Zelle eingelegt, die an den beiden CU-Streifen anliegt.


Wenn man nun die Spule leicht antippt, dreht sie sich, wie ein kleiner E-Motor.



So weit, so gut. Aber, warum dreht sich die Spule mit nur einem Magneten?
Es hängt wohl irgendwie mit der Ausrichtung des elektromagnetischen Feldes zusammen.

Bitte keine hoch wissenschaftliche Erklärung, sondern so, dass es mein 11-jähriger Sohn und auch ich es verstehe. ;)

(Ich bitte das Bildformat zu entschuldigen, da ist beim Ausschneiden im Bild.Bearbeitungsprogramm etwas schief gelaufen)
 
Genau das richtige für ne schlaflose Vollmondnacht :)

Ich versuchs mal so: In der Spule entsteht durch Stromfluß ein elekrisches Feld, auch E-Feld genannt. Der Magnet hat ein magnetisches Feld (H-Feld). Nun gibts die "Dreifingerregel", die besagt, daß wenn ein E-Feld senkrecht auf ein H-Feld trifft, eine Kraft in der dritten Achse entsteht, das nennt sich dann Induktion oder auch Lorentz-Kraft. In diesem Fall wirkt sie genau in Drehrichtung der Spule, egal welche Spulenhälfte gerade vorbeikommt.

Die Dreifingerregel bzw. die Lorentz-Kraft sollte in jedem Physik-Schulbuch dargestellt sein, hab grade keinen Scanner parat und malen konnte ich sowas noch nie. Google gibt aber einige schöne Auszüge aus Physikvorlesungen her.

Dieser einfache Motor läuft nur dann einigermaßen, wenn er einmal angeschubst wurde. Dann reicht der Schwung, um jeweils die nächste Hälfte des E-Feldes mit dem H-Feld zu verkuppeln, was dann den nächsten Schubs auslöst und schon dreht sich das Ding munter weiter.

"Richtige" E-Motoren funktionieren genauso, nur verstärkt man das E-Feld durch Eisen in der Feldwicklung und nimmt mehrere Magnetpole und Wicklungen. Auch da kann es aber passieren, daß der Motor mal nicht anlaufen will, weil er gerade zwischen 2 Polen hängt. Ein Schubs bringt ihn dann in Wallung. Alle E-Motorentypen arbeiten nach diesem Prinzip, insofern ist der einfache YPS-Aufbau eine geniale Anschauung.

Wer es komplizierter haben will, mag sich Asynchron-, Synchron- und sonstigen Motoren anschauen, hier wird teilweise das E-Feld dank Wechselstrom zyklisch umgepolt, was beispielsweise die Anschubserei erspart und Drehzahlregelung ermöglicht.

Aber jetzt muß gut sein, Mond ist untergegangen -> weiterschlafen

Gruß, Gunter
 
Hi Arno!!

Hier nochmal ein kleines Bild zur Drei Finger Regel:



Das Bildchen passt auch schon wunderbar zu diesem Beispiel:

Die Richtung der magnetischen Feldlinien ist hier von unten nach oben (also vom Magnet ausgehend durch die Spule nach oben also vom Tisch weg (doof zu erklären :)

Die technische Stromrichtung ist hier in der Spule von links nach rechts bzw von rechts nach links durch die Spule (halt demnach wierum du die Batterie anklemmt (wenn du die Regel mal anwenduest wirst du sehen dass das nur für die Drehrichtung entscheident ist))

Und die daraus resultierende Kraft, die dann die Spule dreht wirkt eben in die Drehrichtung. Mit der Drei fingerregel lässt sich das schön anchvollziehen.

Aber aufpassen die Regel funktioniert nur mit der rechten Hand :)

Wie Gunter schon sagte steckt hinter dem Ganzen die Lorentzkraft.

Hier nochmal ein kleiner Link:
http://www.gym-don.de/fachlich/physik/projekt/hand.htm

[ 21. Dezember 2002, 13:51: Beitrag editiert von: Dennis Schulte Renger ]
 

Arno Wetzel

Moderator
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Hallo Gunter!

Mhmm, das mir der Lorentz-Kraft ist mir noch aus meinem Physik-Unterricht bekannt, nur will es irgendwie nicht zum YPS-Motor passen.
Ich hab´s meinem Sohn so erklärt:

In einem Hufeisen-Magneten bildet sich ein gerichtetes (homogens) Magnetfeld aus (N-S).
Durch den Rotor wird ein Gleichstrom geschickt, wodurch wiederum ein elektrisches Feld induziert wird. Nun ziehen sich magnetisches Feld (N-Pol) und elektrischer Feld (S-Pol) an. Bei dieser Drehbewegung wird am Kollektor die Stromrichtung geändert, dies bedeutet auch eine Umkehrung des E-Feldes. N-Pol des mag. Feldes und N-Pol des E-feldes stoßen sich ab, usw.

Nur, beim YPS-Motor gibt es kein homogenes Magnet-Feld und keinen Kollektor.
Ich hätte bei dieser Konstruktion gedacht, dass sich beim Anlegen einer Gleichspannung die Spule max. um 180° dreht und dann in einer senkrechten Position verharrt.

Warum dreht sie sich aber trotzdem weiter?
 
Hi Arno!!

Du hast recht die Lorentzkraft passt irgendwie nicht so recht dazu. Hab mir das gerade nochmal angeschaut.

Die erste 180 Grad Drehung kann man damit wohl erklären. Nur bei der zweiten bekommt man dann Probleme, da die Drei Finger Regle dann aussagt dass sich die Spule Theoretisch wieder zurückdrehen müsste und nicht in gleicher Richtung weiter. Dazu müsste dann wieder die Stromrichtung umgedreht werden (Kollektor).

Also so richtig auf einen grünen Zweig komm ich mit der Lorentzkraft doch nicht.
 
Hi Arno & Dennis,

der Denkfehler liegt darin, daß ihr versucht, E- und H-Feld gleichzusetzen. Da gibts aber keine Anziehung oder Abstoßung, sondern immer nur die rechtwinklig zu den überlagerten Feldern wirkende Lorentz-Kraft.

Das Feld des Stabmagneten ist natürlich schon homogen, die Spule taucht aber immer nur mit einer Hälfte ihrer Wicklung in eine Hälfte des Stabmagnetfelds ein. Maximal ist die resultierende Kraft, wenn die Spule senkrecht steht. Sie dreht sich dann bis zur Waagerechten, dann ist die Kraft Null. Nun kommt der mechanische Schwung ins Spiel: Dreht sich die Spule nur noch ein wenig weiter, kommt die 2. Spulenhälfte ins Spiel und schon wird die Drehkraft wieder zunehmen. Die Kraft verläuft also sinusförmig (von der drehenden Spule aus gesehen), daher tut das nur bei sehr wenig Reibung. Nochmal: Da ist nix mit Anziehung oder Abstoßung, sondern es resultiert immer eine Querkraft in gleicher Richtung. Da der Strom in der Spule in beiden Hälften gleich rum fließt, ist auch die resultierende Kraft jedesmal die gleiche.

Ein Kollektor dient vereinfacht gesagt nur dazu, mehrere Spulen so umzuschalten, daß immer eine optimal im Magnetfeld liegt. Auf die Art gibts dann mehrere Kraftquellen, die sich bei den Umdrehungen abwechseln.

Was den "verschwendeten" 2. Magnetpol angeht: Schau mal an wie beispielsweise ein LRK-Motor aufgebaut ist. Da gibts ne Menge Magnete, bei denen jeweils ein Pol brachliegt, man kann prima damit leben :)

Gruß, Gunter
 
Nur kurz zum Verständnis (weil so richtig schlau werde ich da nicht draus):

Die Feldlinien des E und H Feldes laufen doch parallel zueinander oder?? (zumindest theoretisch)
 
Noch ein Nachschlag:

Stellen wir die Spule mal schräg. Natürlich wirkt die Lorentz-Kraft in der oberen Hälfte der Spule genau andersrum als unten. Das hebt sich aber nicht auf, weil das Magnetfeld mit der Entfernung stark abnimmt und somit immer eine Spulenhälfte mehr abbekommt. Also gewinnt eine der beiden Richtungen. In der Waagerechten gibts ein labiles Gleichgewicht, da hilft dann eben nur der Schwung drüber weg.

Gar nicht so einfach das verbal zu erklären, vor allem, wenn man meint daß es einfach wäre..

Gruß, Gunter
 
Hi Gunter!!

und genau das letzte was du sagst ist das wodrüber ich stolper.

Du sagst ja richtig dass die Lorentzkraft der oberen Spulenhälfte der Lorentzkraft der unteren Spulenhälfte entgegenwirkt.

Ist kalr dass die untere Spulenhälfte gewinnt, da dort das Magnetfeld stärker ist.

Wenn wir aber nun weiterdrehen, dann müsste sich ja deiner Meinung nach die Richtung der Lorenzkraft der oberen Spulenhälfte plötzlich in die andere Richtung gehen sobald sie zur Unteren wird, damit sich die Spule nun in die gleiche Reichtung weiterdreht (ich hoffe das versteht man)

Oder habe ich dich da nun falsch verstanden??
 
Hi Dennis,

schau Dir mal die Spule an: Wenn man die 180 Grad dreht, sieht sie wieder ganz genauso aus wie vorher, da ist nix umgekehrt. Der Strom fließt auch in beiden Fällen gleichrum.

Ich glaube, Arnos Sohn das gaaaanz einfach zu erklären, ist hiermit gescheitert :D

Gruß, Gunter
 
Moin, Ich bins nochmal!!

Irgendwie lässt mich dieser blöde Motor nicht los. (Arno was hast du da nur angestellt)

Ich habe mal zwei kleine Bildchen gemacht die das ganze so klarmachen wie ich das verstehe (vermutlich falsch weil es sich demnach nicht drehen würde, aber ich denke Arno hat ungefähr die gleichen Gedanken wie ich.........hoffe doch mal ich bin nicht der einzige hier der so denkt :D )

Die Bilder beschreiben die wirkenden Kräfte in den beiden Extremstellungen genau wenn die Spule sich um 180 Grad gedreht hat:

Eben als Legende:

Blau: Stromrichtung
Gelb: Richtung der Feldlinien des Magneten
Grün: Lorentzkraft (3D zu sehen.........Pfeil nach unten aus dem Bild raus.......Pfeil nach oben ins Bild rein)
Mit 1 und 2 wollte ich nur die einzelnen Spulenhälften kennzeichnen

Bild 1:



Bild 2:



Hier liegt für mich das Problem.

In Bild 1 würde die Spule genau andersherrum drehen wie in Bild 2. Ein Kollektor der die Stromrichtung dreht würde hier auch die Lorentzkraft drehen (auf einem der Bilder) und das Leben wär für mich in Ordnung.
So wie in diesem Java Applett wo der Kollektor ja genau dafür zuständig ist.
http://www.asn-ibk.ac.at/bildung/faecher/physik-hs/Elektromotor1.htm

Nachtrag auf die inzwischen eingegangende Antwort:

Sag mal hab ich so ein Brett vor dem Kopf?? Die Stromrichtung ist für mich oben anders als unten. Und wenn ich weiterdrehe sieht das für mich eben aus wie auf den Bildern. Der Strom fließt quasi "in die andere Richtung". *grübel*

Cu
Dennis (der nun erstmal ein wenig darüber weiter nachdenkt :) )

P.s.: Sorry Arno dass ich die den Beitrag so flute

[ 21. Dezember 2002, 15:09: Beitrag editiert von: Dennis Schulte Renger ]
 

Arno Wetzel

Moderator
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Oh Gott, oh Gott! Wie sag ich´s meinem Sohn! ;)

Das Geheimnis liegt wohl darin, wie sich das elektrische Feld in der Spule aufbaut bez. gerichtet ist.

Na ja, macht mal weiter. Ich harre auf die Dinge, die da noch kommen. ;)

Aber lasst mich bitte nicht im Stich!!

[ 21. Dezember 2002, 15:31: Beitrag editiert von: Arno Wetzel ]
 
hallo zusammen,

Ich weiß nicht, ob ichzu euerem Problem beitragen kann, aber
mir ist da noch was im Hinterkopf. Ich meine, daß die Spule aus Kupferlackdraht besteht.
Dort wo die Spule bzw. die beiden Enden auf dem "Gestell" aufliegen, muß der lack durch
abkratzen mit einem Messer oder ähnlichem entfernt werden. Jetzt glaube ich, daß hier nur
auf dem halben Drahtumfang der lack abgenommen werden darf. D.h. ist z. Bsp. die 1. Hälfte des Ringes unten (beim magneten) dann fließt Strom, dreht sich die Spule weiter und die zweite Hälfte steht dem magneten gegenüber, dann fließt kein Stromm weil jetzt der Lack auf dem Draht isoliert. Durch den Schwung wird die Drehung jedoch weitergeführt, bis die 1. Hälfte des ringes wieder zur spule kommt.

Das wäre doch eine Lösung oder, und die Fingerregel hätte auch wieder Bestand.

Gruß Roland
 

Arno Wetzel

Moderator
Teammitglied
Hallo Gunter!

Ich auch Inschenör, hab´aber mehr mit Wasser und Gasen zu tun! Schäm mich aber auch! :eek:

Ich habe mir die YPS noch einmal genauer angesehen und habe, so glaube ich, ein wichtiges Detail vorenthalten!



Ich glaube, Roland ist der Retter.

Ich versuch´s mal zusammenzufassen:

1. Der einzelne Magnet erzeugt ein Magnetfeld, zwar nicht homogen, aber immerhin ein Feld.

2. Durch das Anlegen der Gleichspannung entsteht in der Spule ein elektrisches Feld. Nach den Gesetzen von Herrn Lorentz entsteht ein Kraft, wenn ein elektrisches Feld senkrecht auf ein magnetisches Feld trifft. Die Kraft ist nach der 3-Finger-Regel gerichtet.

3. Dadurch das die Enden der Spulen, wie im Bild, abgeknickt sind, wird der Stromkreis nach jeder 180°-Drehung unterbrochen, das E-Feld verschwindet, dadurch ist die resultierende Kraft gleich Null. Durch die Trägheit der Spule dreht sie sich um 180° weiter, bis der Stromkreis wieder geschlossen ist und das ganze beginnt von neuem.

Ich glaube, das müsste so ungefähr die Lösung sein. Oder?

[ 21. Dezember 2002, 22:54: Beitrag editiert von: Arno Wetzel ]
 

Ulrich Horn

Moderator
Teammitglied
Ups..

hat sich erledigt. Hab' den letzten Beitrag übersehen.. :rolleyes:

Grüße, Ulrich Horn

[ 21. Dezember 2002, 19:19: Beitrag editiert von: TIBOS ]
 
NA nu wissen wirs endlich :)

Dadurch dass der Kommutator halt weggelassen wurde, hat man wengstens in dem Moment in dem die Lorentzkraft wieder in die andere Richtung wirken würde den strom abgestellt :)

Wirklich ein Kommutator für Arme ;)

Mich würde mal das Eta dieses Teils interessieren :D
 
Ich nochmal,

gerade wollte ich mein Profil etwas erweitern, aber da täte dann stehen was ich für ein Inschenör bin. Das lass ich erstmal bis der Beitrag verschüttet ist :)

Aber einen hab ich noch: Auf einer Seite kann man die Biegung sparen und den Draht dauernd aufliegen lassen, dann hoppelt das Ding nur noch auf einer Seite.

So, bevor es zu trivial wird und ich mich komplett oute, hör ich mal auf hier.

Gruß, Gunter
 
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