Schlagwort: Elektromotor

Das farb-, geschmack- und geruchlose Gas Wasserstoff ist der Hauptbestandteil von Wasser und aller in der Natur vorkommenden Materialien. Das bedeutet, dass wir auf das Gas fast unbegrenzten Zugriff haben. Von allen bekannten Materialien kann Wasserstoff außerdem am besten brennen. Aber wenn sich Wasserstoff so gut als Energieträger eignet, wieso greifen wir dann auf nicht nachwachsende Rohstoffe wie Kohle, Erdgas oder Erdöl zurück?

Im Jahr 1882 ging in London das erste Kohlekraftwerk der Welt in Betrieb, das elektrischen Strom für die öffentliche Nutzung erzeugte. Damals war das eine Neuheit. Heute ist der fossile Brennstoff Kohle der wichtigste Energieträger in Deutschland. Insgesamt machen fossile Brennstoffe über 50 % unseres gesamten Strombedarfs aus. Da fossile Rohstoffe aber bald aufgebraucht sein werden, werden erneuerbare Energien immer wichtiger!

Warum ist Wasserstoff so wichtig für die Zukunft?

1882 war an erneuerbare Energiequellen aus Wind, Wasser oder Sonne noch nicht zu denken. Nur einer wusste wohl schon damals, dass eine Zukunft ohne Kohle, Erdöl und Co. stattfinden kann: Jules Verne. Der französische Schriftsteller sprach Jahre vor der Eröffnung des ersten Kohlekraftwerks davon, dass „Wasser die Kohle der Zukunft“ sei. Für ihn war klar, dass Wasserstoff zukünftig die Energieversorgung der Erde sichern wird. Denn Wasserstoff ist flexibel einsetzbar und leicht zu transportieren. Zudem kann das Gas aus erneuerbaren Energien hergestellt werden, was gut für die Umwelt und unser Klima ist. Mehr Informationen zu alternativen Antrieben ohne schädliche CO₂-Emissionen findest du hier.

Das chemische Element Wasserstoff wird mit dem Formelzeichen H₂ abgekürzt. Foto: Adobe Stock / / Shawn Hempel

Wasserstoff kommt bisher vor allem beim Antrieb von Elektromotoren in Autos zum Einsatz. Das Allround-Talent kann aber noch in ganz anderen Bereichen verwendet werden und fossile Rohstoffe wie Kohle oder Erdgas ersetzen. So kann Wasserstoff zum Beheizen von Häusern und Unternehmen genutzt werden. Auch für die Chemie- und Stahlindustrie ist das Gas als Energieträger interessant. All das trägt dazu bei, dass Deutschlands Industrie klimaschonender produzieren könnte. Das hört sich toll an, aber ganz so leicht ist es nicht…

Grün, blau, grau, türkis – Wasserstoff ist nicht gleich Wasserstoff

Wasserstoff kommt in der Natur zwar ganz oft vor, aber niemals alleine, sondern immer in Verbindung mit anderen organischen Stoffen: er ist beispielsweise in Wasser, Kohle, Erdöl oder Erdgas zu finden. Aus diesen Materialien muss das Gas herausgelöst werden. Die Methoden, mit denen das Gas gewonnen werden kann, sind unterschiedlich gut oder schlecht für die Umwelt. Denn manche davon treiben die Erderwärmung weiter voran. Warum das schlecht ist und was auch du tun kannst, erfährst du im Artikel zum ökologischen Fußabdruck. Daher unterscheidet die Wissenschaft Wasserstoff je nach Herstellungsart und dem Material, aus dem er herausgelöst wird durch die Farben grau, blau, pink, türkis und grün:

  • Grauer & blauer Wasserstoff: Wenn Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, spricht man von grauem oder blauem Wasserstoff. Dabei entsteht das Gas CO₂. Bei grauem Wasserstoff wird es in die Atmosphäre abgegeben, was schlecht für die Umwelt ist. Um blauen Wasserstoff handelt es sich, wenn das entstandene CO₂ im Erdboden gespeichert wird. Dieses Verfahren ist klimafreundlicher, aber sehr aufwendig.
  • Türkiser Wasserstoff: Für die Herstellung von türkisem Wasserstoff wird Methan gespalten und das Gas freigesetzt. Dabei entsteht fester Kohlenstoff. Da aus Kohlenstoff kein CO₂ entweichen kann, ist dieser feste Stoff klimaverträglich. Türkiser Wasserstoff befindet sich noch in der Entwicklung.
  • Pinker Wasserstoff: Mit Hilfe der Elektrolyse (mehr dazu hier) kann Wasserstoff aus Wasser gelöst werden. Für diesen Vorgang wird Strom benötigt. Bei pinkem Wasserstoff stammt der Strom allerdings aus Kernenergie. Dabei entsteht radioaktiver Abfall, der nicht natürlich abgebaut werden kann und unsere Erde belastet.
  • Grüner Wasserstoff: Genauso wie pinker wird grüner Wasserstoff aus Wasser gewonnen. Hierbei kommt der dafür benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen. Damit ist diese Art von Wasserstoff besonders umweltfreundlich. 
Grüner Wasserstoff kann mit Hilfe erneuerbarer Energien aus Wasser gelöst und zum Antrieb von Motoren oder zum Heizen genutzt werden. Foto: Adobe Stock / / Bogdana

Ist grüner Wasserstoff wirklich grün?

Für die Wissenschaft ist klar: Grüner Wasserstoff ist die einzige wirklich umweltfreundliche Möglichkeit und legt daher ihren Fokus in der Forschung darauf. Klingt soweit alles gut! Nur gibt es da ein Problem: Für die Herstellung von grünem Wasserstoff braucht es sehr viel Energie, also elektrischen Strom. Dieser Strom wird bisher zu Großteilen aus klimaschädlichen Brennstoffen wie Kohle gewonnen, die beim Verbrennen CO₂ ausstoßen. Will grüner Wasserstoff wirklich grün sein, muss das in jedem Prozess seiner Herstellung der Fall sein. Die benötigte Menge an Strom ist bisher noch so groß, dass sie noch nicht aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden kann. Jetzt wird fleißig weiter daran geforscht, dass grüner Wasserstoff zukünftig wirklich komplett grün sein kann.

Beitragsfoto: Adobe Stock  / / Mediaparts

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In diesen Artikeln erfährst du noch mehr zum Thema „Erneuerbare & zukünftige Energien”: 

Der 3. April war ein ganz besonderer Tag: Am KIT in Karlsruhe zeigte Ola Källenius, Vorstandsvorsitzender der Mercedes-Benz Group, bei der Genius Kinderuni, wie die Autos schon heute sehen, denken und sprechen können – und was sie fit macht für die Zukunft des Automobils.

Als Ola Källenius die Bühne betritt, begrüßen ihn die Kinder im Audimax-Hörsaal des KIT in Karlsruhe mit frenetischem Trommelwirbel auf den Tischen. Dass man so an der Universität seine Begeisterung zeigt, anstatt mit Applaus, haben sie bereits gelernt. Jetzt können sie es kaum abwarten, Spannendes aus der Welt des Automobils zu erfahren.

Sie werden nicht enttäuscht. Von Schwarmintelligenz und Sprachsteuerung über autonomes Fahren und Elektroantrieb bis hin zu einem Aha-Moment, als eine Zitrone tatsächlich Strom für eine Glühbirne erzeugt, kommen die Kinder aus dem Staunen nicht mehr heraus.

“Das waren klasse Studentinnen und Studenten”, fasst Ola Källenius zusammen, wie er die Kinder in seiner Funktion als Dozent erlebt hat. “Sie waren sehr aktive Begleitende der Vorlesung, haben viele Fragen gestellt – aber auch gute Ideen gehabt.”

Im Mercedes-Benz-Blog berichtet Genius-Praktikantin Martina von ihrem Tag bei der Kinderuni. Die Highlights der Vorlesung kannst du dir hier im Video anschauen:

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Batterien und Akkus gibt es ganz viele verschiedene und alle sind sie dafür da, Geräte mit elektrischem Strom zu versorgen und funktionsfähig zu machen. Doch was ist eigentlich der Unterschied zwischen Batterien und Akkus? Ganz einfach: Die Batterie ist im Gegensatz zum Akku nicht aufladbar. Das kennst du zum Beispiel von deinem Wecker oder deinem Taschenrechner. Wenn die Batterie einmal leer ist, musst du sie entsorgen. Einen Handyakku oder den Akku einer Digitalkamera kann man dagegen immer wieder aufladen. Er ist praktisch eine wiederaufladbare Batterie. Doch auch die hält nicht ewig: Mit der Zeit muss man sie immer öfter aufladen, bis sie schließlich zu schwach für das Gerät wird. Auch der Akku muss dann entsorgt werden – oder?

Akku
Ein Akku ist eine wiederaufladbare Batterie.

Umweltfreundlich

Eines steht auf jeden Fall fest: Da du Akkus nicht sofort entsorgen musst, sondern immer wieder aufladen kannst, sind sie ein wenig umweltfreundlicher als Batterien. Sie produzieren schlichtweg nicht so viel Müll. Doch auch bei Akkus gibt es Vor- und Nachteile. Um diese zu erklären, machen wir einen kleinen Ausflug in die Chemie.

Es gibt Nickel-Kadmium-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus und Lithium-Ion-Polymer-Akkus. Das hört sich sehr kompliziert an, diese Typen lassen sich aber schnell in zwei verschiedene Gruppen einteilen. Die beiden Akku-Varianten mit Nickel entladen sich sehr schnell selbst. Das bedeutet, wenn du sie auflädst und einfach unbenutzt liegen lässt, ist beim nächsten Benutzen der Akku bereits zu einem Teil leer. Auch die Lithium-Ionen-Akkus entladen sich selbst, allerdings nicht so schnell. Ein Vorteil ist hier auch, dass die Akkus genauso groß sind wie die Nickel-Akkus und trotzdem mehr Energie speichern können. Außerdem haben sie eine längere Lebenszeit. Das sind ein paar der Gründe, warum Lithium-Ionen-Akkus häufig zum Einsatz kommen. Du findest solche Akkus zum Beispiel in Handys und Laptops, aber auch die Batterie in einem Elektrofahrzeug funktioniert wie ein Lithium-Ionen-Akku.

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Vor allem in tragbaren Geräten und Elektroautos findest du Lithium-Ionen-Akkus. — Bild: Mercedes-Benz Group AG

Alterung durch Oxidation

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus vielen Zellen, die wiederum jeweils aus einer positiven und einer negativen Elektrode bestehen. Bei der Aufladung wandern die Ionen von der positiven zur negativen Elektrode und lagern sich dort ein. Bei der Entladung ist es andersherum. Mit der Zeit allerdings oxidieren die beiden Elektroden in einer Zelle. Das bedeutet, sie geben Elektronen ab. Die Folge davon ist, dass sie keine Lithium-Ionen mehr speichern können. Das Auf- und Entladen des Akkus funktioniert immer weniger.

Du fragst dich nun sicher: Warum oxidieren die Elektroden in den Zellen überhaupt? Das hängt vor allem von Temperatur und Ladezustand des Akkus ab. Wenn der Akku zum Beispiel in einer sehr warmen Umgebung aufbewahrt wird und zudem noch vollgeladen ist, altert er sehr schnell.

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Ein Stromspeicher aus alten Batterien von Elektroautos — Bild: Mercedes-Benz Group AG

Das zweite Leben der Elektroauto-Batterie

Die Lithium-Ionen-Akkus in den Elektroautos der Mercedes-Benz Group AG haben eine Lebensdauer von circa zehn Jahren. Dann muss man sie auswechseln, weil die Reichweite der Autos nicht mehr ausreicht. Sind Elektroautos also wirklich so umweltfreundlich, wenn ihre Akkus alle zehn Jahre entsorgt werden müssen?

Die Mercedes-Benz Group AG möchte, dass der Lebenszyklus einer solchen Batterie dann noch nicht endet. Deshalb hat der Autobauer die Batterien von 1000 smart-Elektrofahrzeugen zu einem großen Stromspeicher zusammengeschlossen. Wie ein stationärer Energiespeicher soll er zum Beispiel Sonnen- oder Windenergie speichern und dann verfügbar machen, wenn man diese Energie braucht.

Die Akkus der Elektroautos werden damit nicht nur weitere zehn Jahre verwendet, die Energieanbieter könnten so auch ein weiteres großes Problem lösen. Momentan kommt unser Strom noch aus umweltschädlichen Kraftwerken. Deshalb ist das Ziel, langfristig auf erneuerbare Energien, also Energie aus Windrädern oder Energie durch Solarzellen, umzustellen. Auf diese Energie kann man sich aber nicht verlassen, denn die Sonne scheint nicht immer dort, wo Menschen Strom brauchen, und auch der Wind weht dort nicht immer. Es muss deshalb sogenannte Primärreserven geben. Das sind Energiespeicher, auf die sofort zurückgegriffen werden kann, wenn der Strom mal fehlt. Ein Stromspeicher aus ganz vielen alten Elektro-Akkus kann überschüssige Energie aus Sonne und Wind speichern und in solchen Fällen zum Einsatz kommen.

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So stellt sich die Mercedes-Benz Group AG (ehemals Daimler AG) den Lebenszyklus der Batterien aus Elektroautos vor. — Bild: Mercedes-Benz Group AG

Der Stromspeicher der Mercedes-Benz Group AG soll noch dieses Jahr bei den deutschen Energieanbietern in Betrieb gehen und vollautomatisch funktionieren. Nach zehn Jahren eignen sich die Batterien auch dafür nicht mehr. Dann sollen sie recycelt und für den Bau neuer Batterien für Elektroautos verwendet werden.

Willst du beim Sport auch besser sein als deine Klassenkameradinnen und Klassenkameraden? Klar, oder? Ein gesunder Ehrgeiz kann nicht schaden und bringt dich voran. So geht es auch den Autoherstellenden. Mit intelligenter Technik wollen sie die Autos noch effizienter und umweltschonender bauen. Bereits 1899 wurde das erste Automobil La Cuadra mit Hybridantrieb in Barcelona gebaut. Eine alt bekannte Technik, die bis heute stetig weiterentwickelt wurde.

Verbrennungsmotor trifft Elektromotor

Das ist eine ganz schön ausgeklügelte Idee: In das Auto wird nämlich sowohl ein Verbrennungs- als auch ein Elektromotor eingebaut. Von einem Verbrennungsmotor spricht man, wenn man das Auto an der Tankstelle mit Benzin tankt. Elektroautos werden mit Strom aufgeladen, um fahren zu können. Hybridmotoren bestehen aus beiden Arten. Und das ist ganz schön intelligent und vor allem umweltfreundlich!

Stärken und Schwächen

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So sieht ein Hybridauto von innen aus – vorne siehst du das Getriebe aus Verbrennungs- und Elektromotor

Der Verbrennungsmotor ist der kräftigere von beiden: Seine Stärken zeigt er immer dann, wenn der Fahrer besonders schnell oder weite Strecken fahren möchte. Aber er hat auch seine Schwächen: Autos, die mit Verbrennungsmotor fahren, sind lauter als reine Elektroautos. Das merkst du, wenn du in der Nähe einer Autobahn wohnst. Außerdem belasten sie durch die Abgabe von Kohlenstoffdioxd (CO2) unsere Umwelt. Hier greifen die Vorteile des Elektromotors. Er ist der smartere von beiden. Autos mit Elektromotor fahren leise und ohne Abgase. Dieser Motor hat aber auch Nachteile: Elektroautos können bislang nur kurze Strecken fahren, weil die Batterie schneller leer ist und dann wieder aufgeladen werden muss.

Ein perfektes Team

Damit beide Antriebe ihre Vorteile optimal ausspielen können, werden sie im Hybridmotor einfach zusammengefasst. Sie können dort entweder abwechselnd oder gemeinsam genutzt werden. Diese intelligente Kombination kommt in immer mehr Automodellen vor. Das Auto hat damit einen sehr geringen Verbrauch: Die elektrische Maschine im Auto versorgt sich laufend selbst mit Energie, indem sie die Energie, die beim Bremsen entsteht, sammelt und umwandelt. Daher kann der Verbrennungsmotor auch mal ausgeschaltet werden. Dann kommt der Elektromotor zum Zuge – denn er ist ja jetzt wieder aufgeladen. Sinkt die Energie des E-Motors, wird der Verbrennungsmotor wieder zugeschaltet. Ein perfektes Team: Der Wechsel von einem Antrieb zum anderen geschieht dabei komplett automatisch.

Hybrid
Elektroautos werden mit Strom aufgeladen und sind umweltfreundlich

Plug-in ist in

Auch Mercedes-Benz treibt die Hybridisierung voran: 2017 sollen insgesamt zehn Plug-in-hybridbetriebene Autos auf dem Markt sein. Plug-ins haben eine viel größere Batterieleistung als ein reiner Elektromotor. Damit können sie viel länger elektronisch betrieben fahren. Und weißt du, was das Besondere daran ist? Das Auto kann an jeder Steckdose einfach aufgeladen werden! Damit sind Plug-in-Hybride heute ein perfekter Kompromiss zwischen Elektro- und Verbrennungsmotor.

Hybrid
Der Citaro G BlueTec Hybrid im Einsatz

Mit voller Hybridkraft voraus

Die Mercedes-Benz Group AG setzt aber auch im öffentlichen Nahverkehr schon lange auf Hybride auf der Straße: Mit dem Citaro G BlueTec Hybrid, einem Bus, der bis zu zehn Kilometer rein elektrisch fährt, wird auch der Nahverkehr immer umweltfreundlicher und damit auch zukunftsfähig.

Fotos: Mercedes-Benz Group AG

SAUBERER FLÜSTERMOTOR

Sicher würdest du nicht gerne an einer Hauptstraße wohnen. Denn rund um die Uhr macht sich der Verkehr lautstark bemerkbar. Und dann wären da noch die vielen Abgase. Mit elektronischen Fahrzeugen ist das anders. Die sogenannten E-Autos rattern nicht so laut wie ihre Verwandten. Bei geringen Geschwindigkeiten könntest du sogar noch eine Stecknadel fallen hören. Und sie geben auch keine Stickoxide ab. Denn sie nutzen keinen Tank, sondern eine Batterie, die man über eine Ladedose auflädt. Sie werden von einem Elektromotor betrieben, keinem Verbrennungsmotor. Um sie also in zwei Worten zusammenzufassen: Leise und sauber. Wo liegt also noch das Problem? Naja, ein richtiges Problem gibt es nicht. Zumindest keines, das sich nicht beheben ließe.

Elektroauto
Die wichtigsten Elemente eines Elektroautos

Der Haken ist, dass diese fast lautlosen Autos lebensbedrohliche Gefahren bergen. Besonders in Wohngebieten ist der Klang des Motors ein wichtiges Signal für die Verkehrssicherheit. Es hilft vor allem dir und älteren Menschen, die Quelle des Risikos zu hören. Und diesem dann aus dem Weg zu gehen. Aber wenn das E-Auto von selbst keinen Mucks macht, wie verpasst man ihm dann einen Sound?

DER TON MACHT DIE MUSIK

Akustik
Für deine Sicherheit ist es sehr wichtig, Autos auch kommen zu hören

Mercedes-Benz hat das Problem mit seiner Akustik-Abteilung sofort angepackt. Jetzt arbeiten sie nicht mehr nur daran, gewöhnliche Autos leiser zu machen, sondern auch elektrische lauter. Über eine solche Arbeit mit der Akustik eines Fahrzeugs kannst du dich in diesem Beitrag schlau machen. Die Debatte läuft allerdings darüber, welche Töne die E-Autos machen sollen. Es wurde viel experimentiert: Piepsen, Klingeln, Melodien – ja sogar die Geräusche eines Ufos wurden imitiert. Ganz schön überirdisch.

SOUND IN SERIE

Die Mercedes-Benz Abteilung blieb aber auf dem Teppich. Schließlich ist der Straßenverkehr keine Szene eines Fantasy-Films. Sie entschied sich, die Bassfrequenz eines Verbrennungsmotors zu imitieren und brachte den akustischen Umfeldschutz auf die Straßen. In Japan und in den USA kommt dieser sogar serienmäßig zum Einsatz. Bei uns ist er optional erhältlich. Doch natürlich erfüllt er seinen Zweck auf der ganzen Welt in gleichem Maße: Er macht einen spezifischen Sound. Fußgänger/innen und Radfahrer/innen werden so auf dein Fahrzeug aufmerksam, während du im Innenraum den Klang aber nicht zu hören bekommst. So schützt Mercedes-Benz nicht nur alle Verkehrsteilnehmer/innen, sondern auch die wichtigsten Eigenschaften seiner Fahrzeuge: Sicherheit und Komfort.

Bilder: Mercedes-Benz Group AG

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Strom ist nicht gleich Strom

Es gibt zwei verschiedene Arten von elektrischem Strom, mit denen Elektromotoren betrieben werden können. Als Gleichstrom bezeichnet man Strom, der seine Richtung und Stärke nicht ändert. Er kommt in vielen Geräten zum Einsatz, die z. B. mit Batterien betrieben werden, also z. B. CD-Player, Modellautos oder Fensterheber in „richtigen“ Autos.

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GLEICH- UND WECHSELSTROM

Wechselstrom hingegen ändert seine Richtung periodisch. Eine besondere Art des Wechselstroms ist der Drehstrom. Er besteht aus drei einzelnen Wechselströmen, die in drei verschiedenen Phasen gleichmäßig versetzt voneinander wirken. Deshalb wird er oft auch als Dreiphasenwechselstrom bezeichnet. Ordnet man drei Spulen gleichmäßig verteilt im Kreis an und verbindet sie mit jeweils einer Phase dieses Dreiphasenwechselstroms, so ensteht ein drehendes Magnetfeld. Daher nennt man dieses Dreiphasenwechselstromsystem auch Drehstromsystem.

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MAGNETISCHE WIRKUNG DES ELEKTRISCHEN STROMS

Die Lorentzkraft

Grundlage dafür, dass ein Elektromotor eine Drehbewegung erzeugt, ist die so genannte Lorentzkraft. Sie bezeichnet die Kräfte, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben.

Nehmen wir zum Beispiel eine Leiterschleife, durch die Strom fließt und die dadurch von einem Magnetfeld umgeben ist. Die Leiterschleife befindet sich innerhalb eines Magneten, der ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. Diese beiden Magnetfelder wirken so aufeinander, dass dabei eine Kraft entsteht, die senkrecht zum Magnetfeld (vom Nord –zum Südpol) und zur Bewegungsrichtung des Stroms (vom Plus- zum Minuspol) verläuft – die Lorentzkraft.

Mit deiner rechten Hand kannst du die Richtung der Lorentzkraft ganz einfach ermitteln. Bei dieser so genannten Rechte-Hand-Regel zeigt dir der Daumen immer die Richtung an, in die der Strom fließt, der Zeigefinger die Richtung, in die das Magnetfeld verläuft und der Mittelfinger die Richtung, in die die Lorentzkraft wirkt. Teste es doch gleich mal anhand der nebenstehenden Grafik.

Die beiden Seiten der Leiterschleife stehen übereinander. Da auf der einen Seite der Leiterschleife der Strom in eine andere Richtung fließt als auf der anderen Seite der Leiterschleife, wirkt auch die Lorentzkraft jeweils in eine andere Richtung. Das ist der Grund, warum sich die Leiterschleife dreht. Erreicht sie jedoch eine waagerechte Position, wirken die Lorentzkräfte genau entgegengesetzt, sodass sich die Leiterschleife nicht weiterdrehen kann.

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EINFACHER ELEKTROMOTOR

Der Gleichstrom-Motor

Das gleiche Prinzip wie bei der Leiterschleife läuft in einem Gleichstrom-Motor ab. Auch hier gibt es einen feststehenden Magneten, den Stator, und einen sich drehenden Elektromagneten, den Rotor (auch Anker genannt), der sich innerhalb des Stators befindet. Über die Batterie wird dem Motor Gleichstrom zugeführt, wodurch die Lorentzkräfte wirken. Damit der Rotor weiterdreht und nicht wie die Leiterschlaufe in der waagerechten Position stoppt, gibt es im Elektromotor einen so genannten Kommutator. Er ist dafür zuständig, dass der Stromfluss durch den Elektromagneten im richtigen Moment umgekehrt wird und die Lorentzkräfte sich so neu ausrichten, dass sich der Rotor weiterdreht und nicht abgebremst wird. Mit dem Anker verbunden ist eine Antriebswelle, die die erzeugte mechanische Energie an die Autoräder weiterleitet.

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STATOR MIT DREI SPULEN

Der Drehfeld-Elektromotor

In einem Drehstrom- oder Drehfeld-Motor ist solch ein Kommutator nicht notwendig. Im feststehenden Teil des Motors, dem Stator, befinden sich drei Spulen, die in gleichmäßigen Abständen zueinander in einem Kreis angeordnet sind. Sie werden jeweils über einen elektrischen Leiter mit Drehstrom versorgt, das heißt mit Wechselstrom, der in drei verschiedenen Phasen seine elektrische Spannung entwickelt. Dadurch bildet sich um jede Spule zu unterschiedlichen Zeiten ein Magnetfeld. Alle drei Magnetfelder zusammen ergeben ein größeres summiertes Magnetfeld, das seine Richtung parallel zu den Phasen der drei wechselnden Leiterspannungen fortlaufend ändert und sich dadurch „dreht“. Daher wird es auch Drehfeld genannt. Verbindet man nun dieses rotierende Magnetfeld mit der Achse eines magnetischen Gegenstandes, rotiert dieser mit (Rotor).

Ein solcher Drehfeld-Elektromotor findet auch in den Elektroautos von Mercedes-Benz Verwendung.

Was ein Magnet ist, weißt du bestimmt. Das ist ein Körper, der andere Körper mit ähnlichen magnetischen Eigenschaften anzieht. Im Alltag werden Magneten meistens dazu benutzt, um Notizen oder Fotos, z. B. am Kühlschrank, zu befestigen.
Jeder Magnet hat, genau wie die Erde auch, zwei verschiedene Pole, einen Nord- und einen Südpol. Hier ist die magnetische Kraft am stärksten. Nähern sich zwei Magnete mit ihren gleichen Polen, stoßen sie sich ab. Zwei unterschiedliche Pole ziehen sich hingegen an.

Das Magnetfeld

Der Wirkungsbereich um einen Magneten nennt man „magnetisches Feld“. Auch die Erde besitzt so ein magnetisches Feld. Der Zeiger eines Kompasses zum Beispiel ist auch ein Magnet und richtet sich nach dem Magnetfeld der Erde, das von Norden nach Süden verläuft, aus. Daher kann er uns die Himmelsrichtungen anzeigen.

Die Struktur solch eines Magnetfeldes kann durch so genannte Feldlinien sichtbar gemacht werden. Sie veranschaulichen die Richtung des magnetischen Flusses. Je dichter die Feldlinien zueinander sind, desto stärker ist das magnetische Feld. Du kannst auch selbst ganz einfach ein Magnetfeld sichtbar machen: Nehme dazu einen Magneten, ein Blatt Papier und Eisenfeilspäne. Eisen ist ein magnetisches Metall. Frag am besten dein/e Physiklehrer/in um Hilfe. Streue die Eisenfeilspäne auf das Blatt Papier und halte den Magneten unter das Blatt. Jetzt sollten sich die Eisenfeilspäne entsprechend ausrichten und die Richtung des magnetischen Flusses sichtbar machen. Die Feldlinien treten in der Regel am Nordpol aus und verlaufen bogenförmig zum Südpol.

Elektromagnetismus 1

 

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Strom wirkt anziehend

Nicht nur Metalle wie Eisen, Nickel und Kobalt sind magnetisch. Magnetismus kann auch durch elektrischen Strom erzeugt werden. Das nennt man dann Elektromagnetismus. In der Umgebung eines von Strom durchflossenen Leiters bildet sich also auch ein Magnetfeld. Dieses Phänomen entdeckte der dänische Physiker Hans Christian Ørsted 1820. Sein Nachname (Abkürzung Oe) wurde daher auch zur Maßeinheit für die Stärke von Magnetfeldern. Umso höher die Stromstärke ist, desto stärker ist auch das Magnetfeld. Die magnetischen Feldlinien verlaufen kreisförmig um den elektrischen Leiter herum.

Elektromagnetismus 3

Der Elektromagnet ist eine besondere Form des Magneten. Er besteht aus einem Eisenkern und aus einer so genannten Spule. Das ist einfach betrachtet nichts weiter als aufgewickelter Draht, der Strom leiten kann. In der Spule bildet sich bei Stromfluss das magnetische Feld. Im Magnetfeld läd sich der Eisenkern magnetisch auf und kann dann andere magnetische Gegenstände anziehen. Dieses Phänomen spielt auch im Elektromotor eine Rolle.

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Elektromagnetismus in der Praxis

Elektromagneten finden aber auch in einigen anderen Gegenständen Verwendung. Nehmen wir zum Beispiel eine elektrische Klingel, die vielleicht auch in deiner Schule für das Pausenzeichen verantwortlich ist. Sie ist aus einem metallischen Hohlkörper zur Verstärkung des Klingelgeräusches, der Glocke, sowie aus einem Hammer zur Anregung der Schwingung aufgebaut. Dieser Hammer ist an einen Stromkreis angeschlossen, der wiederum mit einem Elektromagneten verbunden ist. Schließt man den Stromkreis, zum Beispiel durch Betätigung eines Schalters, bildet sich um den Elektromagneten ein Magnetfeld, sodass der Eisenkern im Innern magnetisch aufgeladen wird. Der Elektromagnet und der Hammer der Klingel ziehen sich gegenseitig an, wodurch der Hammer die Glocke berührt und diese zum schwingen bringt. In dem Moment, wenn der Hammer vom Elektromagneten angezogen wird, unterbricht auf der anderen Seite die Verbindung zum Stromkreis. Es fließt kein Strom mehr und das Magnetfeld des Elektromagneten löst sich wieder auf. Der Hammer wird nicht mehr angezogen und federt zurück. Dadurch wird der Stromkreis wieder geschlossen. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange der Schalter geschlossen bleibt. Durch das hin- und her schwingen des Hammers in kurzen Abständen wird ein durchgehendes Klingeln erzeugt.

Elektromagnetismus 4