Was wäre die Welt ohne Motoren. Das Prinzip eines Elektromotors ist sehr simpel. Durch eine Spule fließt ein elektrischer Strom und erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld stößt sich von einem Magneten (der sog. Stator) ab und die Spule (der sog. Rotor) dreht sich. Jetzt muss nur noch dafür gesorgt werden, dass sich das Magnetfeld zum genau richtigen Zeitpunkt umpolt oder kurz einschaltet. Denn sonst würde sich der Rotor nur ausrichten und dann in dieser Position stehen bleiben.
Genau in der nachfolgend dargestellten Position des Rotors muss sich die Stromrichtung umkehren, damit dieser sich weiterdreht:
In diesem Beitrag soll es um besondere Elektromotoren gehen, sei es weil sie besonders einfach konstruiert sind oder spannend. Den Beginn macht ein Reed-Kontakt-Motor. Ein Reed-Kontakt oder Reed-Relais schließt sich, wenn sich ein Magnet in dessen Nähe befindet. Diesen Umstand kann man dafür nutzen, dass der Strom durch einen Elektromagneten immer genau zur richtigen Zeit fließt und so einen Magneten am Rotor anstößt. Von der Firma OPITEC gibt es einige sehr spannende und günstige technische Modelle, u.a. auch einen Reed-Motor: https://www.opitec.at/opitec-reedkontakt-motor.html. Diesen habe ich mir zusammen mit noch anderen Sachen gekauft:
Die Spule für den Elektromagneten:
Hier kann man sehr gut das Reed-Relais erkennen. Es wird immer dann kurz geschlossen, wenn sich einer der beiden Magnete des Rotors am Relais vorbeibewegt. Zur selben Zeit befindet sich dann auf der anderen Seite des Rotors der zweite Magnet genau vor dem Elektromagneten und der Rotor wird abgestoßen und dreht sich…
Ich kann diesen Bausatz nur wärmstens für das Schullabor oder der Werkunterricht empfehlen. Für nicht einmal 5 Euro schafft er den Schülern ein richtiges Erfolgserlebnis, wenn sich der Motor zu drehen beginnt. Und auch ich habe mich gefreut, dass er funktioniert 😉
Die Firma Opitec bietet noch einen weiteren sehr einfachen Elektromotor an. Bei diesem erfolgt der zeitkritische Stromfluss durch die Spule dadurch, dass an den Drahtstücken, auf denen der Rotor sich dreht, nur ein kleiner Teil abisoliert wird. Dadurch fließt der Strom immer genau nur in einer Position des Rotors und das Magnetfeld der Spule und des unter dieser angebrachten Magneten stößt sich für einen kurzen Moment an oder zieht sich an. Einen solchen Motor bastel ich auch mit meinen Schülern im Physiklabor…
Von dem Bausatz habe ich nur das Holzbrett, die Metallhalterung und den Magneten übernommen. Die Spule habe ich nicht wie vorgesehen um eine Schraube gewickelt, sondern ich entschied mich für eine kreisrunde Luftspule. Als Formgeber diente eine AA-Batterie…
Damit der Rotor nur immer kurz vom Strom durchflossen wird, muss man bei der Variante 1 die Enden komplett abisolieren und dann umbiegen:
Bei der Variante 2 biegt man den Draht nicht um. Dafür darf man auch nur eine Seite des Drahts (die rechte und linke Seite natürlich gleich!) mit einem Messer abisolieren.
Der fertige Motor:
Faszinierend ob ihrer Einfachheit sind sog. Homopolarmotoren (https://de.wikipedia.org/wiki/Homopolarmotor). Zwei Varianten habe ich umgesetzt. Für den ersten benötigt man nur eine Batterie vom Typ D, etwas abisolierter Draht und kleine Zylindermagnete. Den Aufbau sieht man auf folgendem Bild:
Verantwortlich für die Drehung des Drahtbügels ist die sog. Lorentzkraft. Diese steht normal auf das Magnetfeld B und normal auf die Geschwindigkeit v der Elektronen. Da die Elektronen von beiden Seiten kommend durch den Draht und dann durch den Magneten fließen, entsteht ein Kräftepaar/Drehmoment und der Rotor beginnt sich zu drehen.
Der aus einem Kupferdraht gebogene Rotor:
Der fertige Motor in Aktion:
Für die zweite Variante wird eine Batterie, etwas Draht mit Litzen, eine Holzschraube und dann noch ein Zylindermagnet benötigt. Den Aufbau sieht man hier:
Mendocino-Motor
Ein sog. Mendocinomotor fehlte mir noch in meiner Sammlung. Obwohl man ihn für wenig Geld zum Beispiel auf Amazon kaufen kann, möchte ich versuchen, mir selbst einen zu basteln.
Das Besondere an diesem Motor sind die Umstände, dass er erstens mit Sonnenlicht oder einer anderen starken Lichtquelle funktioniert und zweitens dass er schwebt. Dies wird durch geschickte Anordnung von Magneten realisiert. So soll mein Mendocinomotor aussehen:
Die Solarzellen, von denen 4 Stück benötigt werden, habe ich auf aliexpress bestellt. Sie liefern eine Spannung von 0.5 V und einen Strom von 100 mA:
Eventuell montiere ich auf jeder der 4 Seiten zwei Solarzellen nebeneinander, um die Stromstärke und damit das Magnetfeld zu erhöhen. Als Rotationsachse verwende ich ein 3 mm Messingrohr mit 1 mm Wandstärke. Daraus ergibt sich eine 1 mm große Bohrung, in die ich dann eine gekürzte Nähnadel stecke.
Damit die Reibung so gering wie möglich gehalten wird, stößt die Nähnadel gegen ein kleines Stück Glas. Zum Glück hatte ich Spiegelglasstücke zuhause:
Für die Magnete in der Holzkonstruktion kommen je 3 Stück 10 x 3 mm Scheibenmagnete zum Einsatz. Auf der Messingachse befinden sich je 2 Stück 10 x 3 mm Lochmagnete mit 3 mm Bohrung. Unterhalb des Rotors gebe ich dann einen 30 x 3 mm Zylindermagnet von aliexpress:
Dieser sorgt dann für die zum Drehen notwendige abstoßende Kraft, wenn die Motorspulen von dem Solarstrom durchflossen werden. Beim Basteln wird zumeist meine Küche in eine Werkstatt umgewandelt:
Ein erster Schwebetest verlief erfolgreich:
Inzwischen sind die Messingrohre angekommen und ich habe auch noch die Nähnadeln für die Lagerung besorgt:
Ein erster Schwebetest:
Die Spulenhalterung bastelte ich mir aus 4 mm Plexiglas:
Beim Kupferlackdraht griff ich leider zum 0.3er, ein großer Fehler wie sich bald herausstellte:
Durch den relativ dicken Kupferdraht konnte ich nur 90 Windungen pro Spule anbringen. Dadurch ergab sich ein viel zu geringer Widerstand im Bereich von 2 Ω. Damit waren die leistungsschwachen Solarzellen heillos überfordert und ich konnte den Mendocinomotor mit einer starken Taschenlampe natürlich nicht zum Rotieren überreden…
Also Planänderung: Anstelle der viel zu schwachen Solarmodule mit ca. 0.05 W bestellte ich auf Amazon deutlich stärkere mit um die 0.35W.
Da der Rotor mit den nun 50 x 50 mm großen Solarzellen deutlich an Gewicht zunehmen wird, kaufte ich gleich auch stärkere 12 mm Magnete für die Basis und die Rotationsachse:
Und weil ich gerade am Bestellen war, musste auch folgendes O-Ring-Gummisortiment mit in den Warenkorb. Ich werde aber nur die 1 x 2 (1 mm Innendurchmesser, 2 mm Gummidicke) kleinen O-Ringe für die Fixierung der Ringmagnete benötigen.
Hier die größeren Plexiglasteile für den neuen Rotor:
Dieses Mal entschied ich mich für einen 0.15 mm Kupferlackdraht. Bei je 220 Windungen beträgt nun der zufriedenstellende Spulenwiderstand um die 34 Ohm:
Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter….
