Kraftwirkung im Magnetfeld: der Elektromotor

Ein Draht hängt zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten. Solange kein Strom fließt, passiert nichts. Schaltet man ein, springt der Draht seitlich weg, weder zum Nord- noch zum Südpol hin, sondern quer zu beidem.

Diese seltsame Richtung ist der Schlüssel zum Elektromotor. Denn wenn man eine Drahtschleife statt eines geraden Drahts nimmt, wirken auf ihre beiden Seiten Kräfte in entgegengesetzte Richtungen, und daraus wird eine Drehung. Von der Küchenmaschine bis zur Lokomotive arbeitet fast jeder Motor der Welt nach diesem Prinzip.

Ein beweglich aufgehängter Draht befindet sich im Feld eines Hufeisenmagneten, also zwischen Nord- und Südpol. Der Draht liegt senkrecht zu den Feldlinien.

Sobald Strom fließt, wird der Draht seitlich aus dem Feld herausgedrückt. Zwei Beobachtungen dazu:

• Polt man den Strom um, kehrt sich die Kraftrichtung um.
• Dreht man den Magneten um, kehrt sie sich ebenfalls um.
• Macht man beides, bleibt die Richtung wie am Anfang.

Die Kraft steht also senkrecht auf dem Strom und senkrecht auf dem Magnetfeld. Das ist ungewohnt: Man erwartet eine Kraft entlang einer der beiden Richtungen, und sie zeigt in die dritte.

Ein stromdurchflossener Leiter ist selbst von einem Magnetfeld umgeben (Oersted). Im Bereich des Drahtes überlagern sich also zwei Felder: das des Magneten und das des Drahtes.

Auf der einen Seite des Drahtes zeigen beide Felder in dieselbe Richtung und verstärken sich, auf der anderen Seite sind sie entgegengesetzt und schwächen sich. Es entsteht ein Feldbild, das auf der einen Seite dicht und auf der anderen dünn ist.

Der Draht wird aus dem dichten in den dünnen Bereich gedrückt. Anschaulich sagt man: Feldlinien verhalten sich wie gespannte Gummifäden, die sich zusammenziehen und den Draht wegdrängen.

🔴 Das ist eine Anschauungshilfe, kein Beweis. Feldlinien sind Zeichenhilfen und üben keine Kräfte aus. Die vollständige Begründung führt über die Lorentzkraft auf die einzelnen bewegten Ladungen und kommt in Klasse 11. Für Klasse 9 gilt: Die Kraft ist experimentell belegt, und ihre Richtung liefert eine Regel.

Für die technische Stromrichtung benutzt man die rechte Hand. Spreize Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger so, dass sie paarweise senkrecht stehen:

Merkhilfe: UVW in der Reihenfolge Daumen, Zeigefinger, Mittelfinger.

Probe an einem Fall, den du dir merken kannst: Der Strom fließt nach rechts, das Feld zeigt in die Zeichenebene hinein. Halte die rechte Hand so hin, der Mittelfinger zeigt nach oben. Genau dorthin wird der Leiter gedrückt.

🔴 Es ist dieselbe Hand wie beim Spulenfeld, und das ist keine Zufälligkeit. Im vorigen Kapitel hat die rechte Hand aus der Stromrichtung das Feld bestimmt, hier bestimmt sie aus Strom und Feld die Kraft. Beide Male gehört sie zur technischen Stromrichtung. Nur wer mit der Elektronenrichtung arbeitet, muss auf die linke Hand wechseln, weil sich dann Stromrichtung und Händigkeit beide umkehren und das Ergebnis wieder stimmt.

Der Versuch zeigt drei Abhängigkeiten:

• Stromstärke $I$: doppelter Strom, doppelte Kraft.
• Länge $l$ des Leiterstücks im Feld: doppelte Länge, doppelte Kraft.
• Stärke des Magnetfeldes: stärkerer Magnet, größere Kraft.

Dazu kommt der Winkel: Die Kraft ist am größten, wenn der Leiter senkrecht zu den Feldlinien steht, und null, wenn er parallel dazu liegt. Ein Draht, der längs der Feldlinien verläuft, erfährt keine Kraft.

In Klasse 11 wird daraus die Gleichung $F = B \cdot I \cdot l$, wobei $B$ die magnetische Flussdichte ist. Hier genügt der Zusammenhang.

Ersetzt man den geraden Draht durch eine rechteckige Leiterschleife, ändert sich alles Entscheidende: Durch die beiden Längsseiten fließt der Strom in entgegengesetzte Richtungen. Nach der Drei-Finger-Regel wirkt deshalb auf die eine Seite eine Kraft nach oben und auf die andere nach unten.

Zwei entgegengesetzte Kräfte an verschiedenen Angriffspunkten erzeugen ein Drehmoment: Die Schleife dreht sich.

Das Problem nach einer halben Umdrehung. Steht die Schleife senkrecht zum Feld, wirken die Kräfte zwar noch, aber sie ziehen die Schleife nur auseinander statt sie zu drehen. Und dreht sie sich über diesen Punkt hinaus, würden die Kräfte sie zurückdrehen: Die Schleife bliebe hängen und pendelte.

Die Lösung: der Kommutator. Ein geteilter Schleifring (auch Polwender oder Stromwender) kehrt die Stromrichtung in der Schleife bei jeder halben Umdrehung um. Dadurch kehren sich auch die Kräfte um, und das Drehmoment wirkt immer in dieselbe Drehrichtung. Aus dem Pendeln wird eine fortlaufende Drehung.

🔴 Der Kommutator ist damit das eigentliche Bauteil des Gleichstrommotors. Ohne ihn gäbe es nur eine Vierteldrehung.

Verbesserungen echter Motoren: Statt einer Schleife nutzt man viele Spulen in verschiedenen Winkeln. Dadurch gibt es keine Totpunkte, der Lauf wird gleichmäßig, und das Drehmoment schwankt weniger. Der Eisenkern im Anker verstärkt zusätzlich das Feld.

Lautsprecher. Eine Schwingspule sitzt im Feld eines Dauermagneten und ist mit der Membran verbunden. Der wechselnde Tonstrom erzeugt eine wechselnde Kraft, die Membran schwingt und erzeugt Schall. Je größer der Strom, desto größer der Ausschlag, also lauter.

Drehspulmessgerät. Eine Spule zwischen Magnetpolen wird vom Messstrom durchflossen und dreht sich gegen eine Rückstellfeder. Der Zeigerausschlag ist zur Stromstärke proportional. So arbeiteten alle analogen Amperemeter.

Elektromagnetisches Ventil, Festplattenkopf, Straßenbahnmotor. Überall dieselbe Kraft.