Motoren und Generatoren

Auf einen 5 cm langen Draht mit 20 A quer zu einem Feld von 1.5 T wirkt eine Kraft von 1.5 N. Nutzt man diese Wirkung zum Drehen einer Schleife, erhält man einen Motor.

Ein Magnetfeld übt eine Kraft auf einen Strom aus

Einheit 4 zeigte, dass ein Strom ein Magnetfeld erzeugt. In gewisser Hinsicht gilt auch die Umkehrung: Ein Magnetfeld übt eine Kraft auf einen Strom aus. Auf einen geraden Draht der Länge l mit Stromstärke I in einem homogenen Feld B wirkt die Kraft F = I l B sin θ. Dabei ist θ der Winkel zwischen Draht und Feld. Die Kraft ist am größten, wenn der Draht das Feld im rechten Winkel kreuzt, und null, wenn er entlang des Feldes verläuft. Ihre Richtung steht senkrecht sowohl zum Draht als auch zum Feld. Welche Richtung das genau ist, ergibt die Rechte-Hand-Regel 1 bei OpenStax.

OpenStax rechnet ein Beispiel mit einem starken Feld durch: B = 1.50 T, Drahtlänge 5.00 cm und Stromstärke 20.0 A. Mit sin 90° = 1 ergibt sich F = 20.0 × 0.0500 × 1.50 = 1.50 N, ungefähr die Gewichtskraft eines 150 g schweren Apfels. Das ist eine spürbare Kraft auf ein kurzes Drahtstück. Daran zeigt sich auch die Bedeutung des Tesla: 1 T ist das Feld, in dem auf 1 m Draht mit 1 A eine Kraft von 1 N wirkt.

Von der Kraft zur Drehung: der Elektromotor

Bringe eine rechteckige Drahtschleife zwischen die Pole eines Magneten und lasse Strom hindurchfließen. Auf der einen Seite fließt er in die eine, auf der gegenüberliegenden in die andere Richtung. Daher wirken auf beide Seiten entgegengesetzte Kräfte. Die Schleife dreht sich. Bliebe alles unverändert, würde sie sich zum Feld ausrichten und nach kurzem Schwingen stehen bleiben. Deshalb kehrt ein Motor den Strom nach jeder halben Umdrehung um. In einem Gleichstrommotor übernehmen das ein geteilter Kommutator und die Bürsten. So dreht sich die Schleife bei fließendem Strom immer weiter in dieselbe Richtung. Das Drehmoment wächst mit der Windungszahl: OpenStax berechnet für eine quadratische Spule mit 100 Windungen, 10.0 cm Seitenlänge und 15.0 A in einem Feld von 2.00 T ein maximales Drehmoment von 30.0 N·m. Das reicht für einen nutzbaren Motor. Die Wirkungsgradtabelle von OpenStax nennt für Elektromotoren etwa 98 Prozent, weit mehr als für Verbrennungsmotoren.

Bewegung wieder in Strom umwandeln

Wenn Strom in einem Feld Bewegung erzeugen kann, kann Bewegung in einem Feld dann Strom erzeugen? Michael Faraday beschäftigte sich jahrelang mit dieser Frage. Am 29. August 1831 wickelte er in seinem Kellerlabor an der Royal Institution in London zwei Spulen auf gegenüberliegende Seiten eines Eisenrings. Als er eine Batterie an eine Spule anschloss, zuckte eine mit der anderen Spule verbundene Nadel kurz und kam dann zur Ruhe. Beim Abklemmen der Batterie zuckte sie in die andere Richtung. Ein gleichbleibender Strom in der ersten Spule bewirkte in der zweiten nichts. Nur eine Änderung hatte eine Wirkung. Die Royal Institution, die den Ring bis heute aufbewahrt, bezeichnet ihn als ersten elektrischen Transformator.

Das ist elektromagnetische Induktion: Ein sich änderndes Magnetfeld durch eine Spule erzeugt eine Spannung, die induzierte elektromotorische Kraft. Schiebst du einen Stabmagneten in eine Spule, schlägt ein angeschlossenes Messgerät in eine Richtung aus. Ziehst du ihn heraus, schlägt es in die andere aus. Hältst du ihn still, zeigt es null. Bewegst du ihn schneller, wird der Ausschlag größer. OpenStax nennt als entscheidende Größe den magnetischen Fluss, Φ = B A cos θ: das Feld mal der von ihm durchsetzten Schleifenfläche. Jede Flussänderung induziert eine Spannung, ob sich nun das Feld ändert, die Fläche ändert oder die Schleife dreht.

Ein Generator macht daraus eine Maschine. Eine Spule dreht sich zwischen Magneten. So ändern sich der Winkel θ und damit der Fluss ständig, und an ihren Enden entsteht eine Wechselspannung. Ein Generator ist fast genauso aufgebaut wie ein Motor: Im Motor wird elektrische Energie in Drehbewegung umgewandelt, im Generator Drehbewegung in elektrische Energie. Turbinen, die von Dampf, fallendem Wasser oder Wind angetrieben werden, drehen die Generatoren, die den größten Teil unseres Haushaltsstroms liefern.