Technik des Elektroantriebs im Unterricht
Experiment zur Lenz’schen Regel
Die Lenz’sche Regel lässt sich sehr gut mit einer Leiterschleife demonstrieren (siehe Abbildung 1), indem man einen Magneten auf diese zu- und von ihr wegbewegt. In der Leiterschleife wird durch Induktionsstrom ein Magnetfeld erzeugt, das dem äußeren Magnetfeld entgegenwirkt. Dies ist das Prinzip des Induktionsmotors.
Experiment zum Induktionsmotor
Abbildung 2 zeigt den Versuchsaufbau für den Induktionsmotor. Es wird dazu eine rechteckige Leiterschleife aus Aluminium an einem dünnen Faden, z. B. festes Garn, aufgehängt – den gleichen Aufbau kann man übrigens auch für das Experiment zur Lenz’schen Regel verwenden. Mit zwei Permanentmagneten, die an einem rechteckigen Rahmen angebracht sind, simuliert man das sich um den Rotor – hier der Aluminiumrahmen – drehende Magnetfeld. Auch dieser Rahmen wird an einem dünnen Faden aufgehängt. Der Faden des Aluminiumrahmens wird durch ein mittig in dem Holzrahmen der Magnete angebrachtes Loch geführt. Der Faden sollte nicht zu kurz sein, da sonst durch Verdrillung das Experiment verfälscht wird. Der Holzrahmen wird vorsichtig zu einer Drehbewegung angestoßen, ohne den Aluminiumrahmen (Leiterschleife) zu berühren. Die Leiterschleife versucht nun, aufgrund der Lenz’schen Regel, dem Magnetfeld zu folgen.
Es gilt das Induktionsgesetz:
= –N × ϕ
Mit ϕ = A × B und Anwendung der Produktregel gilt: = –N (A × B + A × B)
Abb. 1: Versuchsaufbau zur Lenz´schen Regel
Abb. 2: Versuchsaufbau zum Indikationsmotor
Nur der zweite Term ist ≠ 0, da sich die vom Magnetfeld durchsetzte Projektionsfläche der Leiterschleife durch ihre langsamere Drehung gegenüber dem äußeren Magnetfeld ändert. Die Leiterschleife muss sich also mit einer gegenüber dem äußeren Magnetfeld niedrigeren Frequenz drehen, damit eine Induktion permanent wirksam wird.
Dies ist der Grund, weshalb der Induktionsmotor auch als Asynchronmotor bezeichnet wird. Die Frequenz des Rotors, hier die Leiterschleife, ist typischerweise gegenüber der Frequenz des Magnetfeldes ca. sieben bis zehn Prozent niedriger, was mit dem vereinfachten Versuchsaufbau qualitativ gezeigt werden kann. Die Zahl N stellt hierbei die Anzahl der Leiterschleifen dar, aus denen der Rotor besteht. Dies können im realen Motor weit über hundert sein, was den Aufbau des realen Motors wesentlich komplizierter macht. Auf Youtube gibt es dazu sehr anschauliche Videos, z. B. www.bit.ly/3ktb85G. Hier wird auch veranschaulicht, wie mithilfe von drei Spulen, die mit Drehstrom angesteuert werden, ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt wird.
Experiment zum Thema Synchronmotor
Im Gegensatz zum Induktionsmotor sind die Synchronmotoren physikalisch wesentlich einfacher zu verstehen. Sie unterscheiden sich vom Induktionsmotor nur durch den Aufbau der Rotoren. So hat der klassische Synchronmotor einen Permanentmagnet (typischerweise ein Neodym- Magnet) als Rotor. Abbildung 3 zeigt dazu einen einfachen Experimentaufbau. Der Neodym-Magnet folgt dem rotierenden Magnetfeld durch die Anziehungskräfte zwischen Magnetfeldern und folgt deshalb dem äußeren Magnetfeld mit der gleichen Frequenz. Daraus ergibt sich die Bezeichnung Synchronmotor.
Abb. 3: Versuchsaufbau zum Synchronmotor
Weitere mögliche Unterrichtsthemen zum Elektromotor
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