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2026-07-28T13:13:34Z

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{{T}}

{{BR}}
= Elektromotor - Physik =

{{BR}}
= Einleitung =

Ein [[Elektromotor]] wandelt '''elektrische Energie''' in '''mechanische Energie''' um. Dadurch kann er Räder, Lüfter, Pumpen, Werkzeuge oder Maschinen antreiben. Das Grundprinzip beruht auf der Kraft, die ein [[Magnetfeld]] auf einen stromdurchflossenen Leiter ausübt. Diese Kraft heißt [[Lorentzkraft]].

[[Datei:Brushed dc motor assembly.jpg|500px|rahmenlos|center]]

In diesem aiMOOC lernst Du den Aufbau und die Funktionsweise eines einfachen Gleichstrommotors kennen. Du untersuchst außerdem Energieumwandlung, Drehrichtung, Leistung, Wirkungsgrad und wichtige Motorarten.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=mPSeZkPjX3o |500|center}}

{{BR}}
== Lernziele ==

Nach der Bearbeitung kannst Du einen einfachen Elektromotor beschreiben, seine Bauteile erklären und die Drehbewegung mit Magnetfeldern und Kräften begründen. Du kannst außerdem einfache Formeln anwenden, Motor und Generator vergleichen und Sicherheitsregeln bei Experimenten beachten.

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= Physikalische Grundlagen =

{{BR}}
== Energieumwandlung ==

Beim Motor fließt elektrische Energie aus einer Spannungsquelle in die Spulen. Magnetische Kräfte setzen den Rotor in Bewegung. Die nutzbare Ausgangsenergie ist deshalb mechanische Energie. Ein Teil der Energie wird durch elektrischen Widerstand, Reibung und magnetische Verluste in Wärme und Schall umgewandelt.

[[Datei:Basic principle of an Electric motor.png|500px|rahmenlos|center]]

Die elektrische Eingangsleistung berechnet sich mit:

<math>P_\mathrm{el}=U\cdot I</math>

Dabei ist <math>U</math> die Spannung und <math>I</math> die Stromstärke. Für eine rotierende Welle gilt:

<math>P_\mathrm{mech}=M\cdot \omega</math>

Dabei steht <math>M</math> für das Drehmoment und <math>\omega</math> für die Winkelgeschwindigkeit. Der Wirkungsgrad ist:

<math>\eta=\frac{P_\mathrm{mech}}{P_\mathrm{el}}</math>

Ein realer Motor hat wegen der Verluste stets einen Wirkungsgrad unter 1 beziehungsweise unter 100 Prozent.

{{BR}}
== Magnetische Wirkung des Stroms ==

Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld und wirkt wie ein [[Elektromagnet]]. Wird die Stromrichtung umgekehrt, vertauschen sich Nord- und Südpol der Spule. Genau dieses Umpolen ist für die dauerhafte Drehung eines einfachen Gleichstrommotors wichtig.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=b-xPbGSF54M |500|center}}

{{BR}}
== Lorentzkraft und Drehmoment ==

Auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkt eine Kraft. Für einen geraden Leiter im homogenen Feld gilt:

<math>F=B\cdot I\cdot l\cdot \sin(\alpha)</math>

Dabei ist <math>B</math> die magnetische Flussdichte, <math>I</math> die Stromstärke, <math>l</math> die Leiterlänge im Feld und <math>\alpha</math> der Winkel zwischen Leiter und Magnetfeld. Die Richtung der Kraft kannst Du mit der [[Drei-Finger-Regel]] bestimmen.

Auf den beiden gegenüberliegenden Seiten einer Leiterschleife wirken entgegengesetzte Kräfte. Zusammen erzeugen sie ein '''Drehmoment'''. Für eine Spule mit <math>N</math> Windungen und der Fläche <math>A</math> gilt vereinfacht:

<math>M=N\cdot I\cdot A\cdot B\cdot \sin(\alpha)</math>

[[Datei:Animation einer dreipoligen Gleichstrommaschine Flux Linien.gif|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=fjp7UTAKpWY |500|center}}

{{BR}}
= Aufbau eines einfachen Gleichstrommotors =

Ein schulischer Modellmotor besteht meist aus den folgenden Bauteilen:

{| class="wikitable"
! Bauteil
! Aufgabe
|-
| '''Stator'''
| Erzeugt das feststehende äußere Magnetfeld, häufig durch Permanentmagnete.
|-
| '''Rotor'''
| Dreht sich im Stator und trägt beim einfachen Modell die stromdurchflossene Spule.
|-
| '''Spule'''
| Erzeugt bei Stromfluss ein eigenes Magnetfeld.
|-
| '''Kommutator'''
| Kehrt die Stromrichtung in der Rotorspule nach jeder halben Umdrehung um.
|-
| '''Bürsten'''
| Stellen den elektrischen Kontakt zwischen Stromquelle und drehendem Kommutator her.
|-
| '''Welle'''
| Überträgt die Drehbewegung auf das angetriebene Gerät.
|}

[[Datei:Brushed DC motor disassembled.jpg|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
== Rotor und Stator ==

Der '''Stator''' bleibt stehen. Der '''Rotor''', auch Läufer genannt, dreht sich um die Motorachse. Je nach Motorart können die Spulen oder die Permanentmagnete im Stator beziehungsweise im Rotor liegen.

[[Datei:Stator and rotor by Zureks.JPG|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
== Kommutator und Bürsten ==

Beim klassischen Gleichstrommotor berühren feststehende Bürsten den geteilten Kommutator. Während sich der Rotor dreht, wechselt dadurch nach jeder halben Umdrehung die Stromrichtung in der Spule. So bleibt das Drehmoment in derselben Drehrichtung erhalten.

[[Datei:Universal motor commutator.jpg|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
= So entsteht die Drehbewegung =

# '''Stromfluss''': Die Stromquelle treibt einen Strom durch die Rotorspule.
# '''Magnetfeld''': Die Spule wird zum Elektromagneten.
# '''Kraftwirkung''': Das äußere Magnetfeld übt auf beide Spulenseiten Lorentzkräfte aus.
# '''Drehung''': Die Kräfte erzeugen ein Drehmoment und setzen den Rotor in Bewegung.
# '''Umpolung''': Der Kommutator kehrt die Stromrichtung im passenden Moment um.
# '''Fortsetzung''': Die Kraftwirkung treibt den Rotor über die nächste halbe Umdrehung weiter.

[[Datei:Electric motor.gif|500px|rahmenlos|center]]

Die Animation zeigt einen stark vereinfachten Motor. Bei realen Motoren sorgen mehrere Spulen und Kommutatorsegmente für einen gleichmäßigeren Lauf.

[[Datei:Animation einer Gleichstrommaschine.gif|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=CGzLvrkKYKI |500|center}}

{{BR}}
== Drehrichtung und Drehzahl ==

Wird entweder die Stromrichtung im Rotor oder die Richtung des äußeren Magnetfelds umgekehrt, ändert sich die Drehrichtung. Werden beide gleichzeitig umgekehrt, bleibt die Drehrichtung erhalten.

Bei einem einfachen Gleichstrommotor kann eine höhere Spannung meist zu einer höheren Drehzahl führen. Eine größere Belastung senkt die Drehzahl und erhöht häufig die Stromaufnahme. Die zulässigen Werte des Motors dürfen dabei nicht überschritten werden.

{{BR}}
= Motorarten im Überblick =

{| class="wikitable"
! Motorart
! Kennzeichen
! Typische Anwendung
|-
| '''Bürsten-Gleichstrommotor'''
| Mechanischer Kommutator und Bürsten
| Spielzeug, kleine Pumpen, ältere Modellantriebe
|-
| '''Bürstenloser Gleichstrommotor'''
| Elektronische Kommutierung, keine Kohlebürsten
| Computerlüfter, Drohnen, moderne Werkzeuge
|-
| '''Asynchronmotor'''
| Rotor folgt einem magnetischen Drehfeld mit Schlupf
| Pumpen, Lüfter, Industriemaschinen
|-
| '''Synchronmotor'''
| Rotor läuft synchron zum Drehfeld
| Präzisionsantriebe, moderne Fahrzeugantriebe
|-
| '''Schrittmotor'''
| Bewegt sich in festgelegten Winkelschritten
| 3D-Drucker, Robotik, Positioniersysteme
|}

[[Datei:Asynchronmotor animation.gif|500px|rahmenlos|center]]

[[Datei:StepperMotor.gif|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
= Motor und Generator =

Motor und [[Elektrischer Generator|Generator]] sind eng verwandt. Beim Motor wird elektrische Energie zu mechanischer Energie. Beim Generator wird mechanische Energie durch [[Elektromagnetische Induktion]] in elektrische Energie umgewandelt. Viele elektrische Maschinen können grundsätzlich in beiden Richtungen betrieben werden.

{| class="wikitable"
! Gerät
! Eingangsenergie
! Ausgangsenergie
|-
| '''Elektromotor'''
| Elektrische Energie
| Mechanische Energie
|-
| '''Generator'''
| Mechanische Energie
| Elektrische Energie
|}

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= Experiment: Einfacher Spulenmotor =

Ein einfacher Motor kann mit einer Batterie, isoliertem Kupferdraht, zwei Büroklammern und einem kleinen Magneten aufgebaut werden. Die Drahtspule muss leicht drehbar gelagert sein. An einem Anschluss wird die Isolierung vollständig, am anderen nur auf einer Seite entfernt. Dadurch entsteht eine einfache Stromunterbrechung, die ähnlich wie ein Kommutator wirkt.

'''Sicherheit:''' Verwende ausschließlich ungefährliche Kleinspannungen. Schließe eine Batterie nicht dauerhaft kurz. Draht und Batterie können warm werden. Trenne den Stromkreis sofort, wenn sich Bauteile stark erwärmen. Arbeite niemals an der Netzspannung.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=VlU3VyZ7IcM |500|center}}

{{BR}}
= Anwendungen im Alltag =

Elektromotoren befinden sich unter anderem in Ventilatoren, elektrischen Zahnbürsten, Waschmaschinen, Aufzügen, Pumpen, Robotern, Zügen und Elektrofahrzeugen. In vielen Geräten sind sie klein und kaum sichtbar. Ihre Bauform wird an Leistung, Drehzahl, Drehmoment, Stromart, Regelbarkeit und Einsatzumgebung angepasst.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welche Energieumwandlung findet in einem Elektromotor hauptsächlich statt?'''
(Elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt)
(!Mechanische Energie wird in chemische Energie umgewandelt)
(!Wärmeenergie wird vollständig in elektrische Energie umgewandelt)
(!Lichtenergie wird in Kernenergie umgewandelt)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welches Bauteil dreht sich bei einem üblichen Elektromotor?'''
(Der Rotor)
(!Der Stator)
(!Die Stromquelle)
(!Das Gehäuse)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aufgabe hat der Kommutator beim einfachen Gleichstrommotor?'''
(Er kehrt die Stromrichtung in der Rotorspule um)
(!Er speichert elektrische Ladung)
(!Er kühlt den Motor)
(!Er verstärkt die Masse des Rotors)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Kraft wirkt auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld?'''
(Die Lorentzkraft)
(!Die Gewichtskraft allein)
(!Die Auftriebskraft)
(!Die Reibungskraft allein)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was geschieht mit dem Magnetfeld einer Spule, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird?'''
(Die magnetischen Pole vertauschen sich)
(!Das Magnetfeld wird immer null)
(!Die Spule verliert dauerhaft ihre Leitfähigkeit)
(!Die Masse der Spule verdoppelt sich)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aufgabe haben Bürsten im klassischen Gleichstrommotor?'''
(Sie stellen den Kontakt zum drehenden Kommutator her)
(!Sie erzeugen die Versorgungsspannung)
(!Sie messen die Temperatur der Raumluft)
(!Sie ersetzen die Motorwelle)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was beschreibt das Drehmoment?'''
(Die Drehwirkung einer Kraft)
(!Die elektrische Ladungsmenge)
(!Die Temperatur des Magneten)
(!Die Farbe der Spule)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was passiert mit der Drehrichtung, wenn nur die Stromrichtung im Rotor umgekehrt wird?'''
(Die Drehrichtung kehrt sich um)
(!Die Drehrichtung bleibt immer gleich)
(!Der Rotor wird zum Stator)
(!Die Spannung wird automatisch null)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Motorart arbeitet ohne mechanische Bürsten?'''
(Der bürstenlose Gleichstrommotor)
(!Der klassische Bürsten-Gleichstrommotor)
(!Der Dampfkolbenmotor)
(!Der Verbrennungsmotor)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum liegt der Wirkungsgrad eines realen Elektromotors unter 100 Prozent?'''
(Weil ein Teil der Energie als Wärme, Schall und Reibung verloren geht)
(!Weil der Rotor keine Masse besitzt)
(!Weil elektrische Energie nicht messbar ist)
(!Weil der Stator immer vollständig schmilzt)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Stator || Feststehender Teil des Motors
|-
| Rotor || Drehbarer Teil des Motors
|-
| Kommutator || Kehrt die Stromrichtung um
|-
| Bürsten || Stellen einen gleitenden Kontakt her
|-
| Lorentzkraft || Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter
|-
| Drehmoment || Drehwirkung einer Kraft
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Aufgabe im Elektromotor
|-
| '''Spule'''
| Erzeugt bei Stromfluss ein Magnetfeld
|-
| '''Permanentmagnet'''
| Stellt ein äußeres Magnetfeld bereit
|-
| '''Stromquelle'''
| Liefert elektrische Energie
|-
| '''Welle'''
| Überträgt die Drehbewegung
|-
| '''Kommutator'''
| Polt den Rotorstrom regelmäßig um
|-
| '''Bürsten'''
| Verbinden die Stromquelle mit dem drehenden Teil

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Rotor || Welcher Teil des Motors dreht sich?
|-
| Stator || Wie heißt der feststehende Teil?
|-
| Bürsten || Welche Bauteile stellen den gleitenden elektrischen Kontakt her?
|-
| Lorentzkraft || Welche Kraft wirkt auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld?
|-
| Kommutator || Welches Bauteil kehrt die Stromrichtung in der Rotorspule um?
|-
| Drehmoment || Wie heißt die Drehwirkung einer Kraft?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Elektromotor+Physik </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in { mechanische Energie } um. Der feststehende Teil eines Motors heißt { Stator }. Der drehbare Teil wird { Rotor } genannt. Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein { Magnetfeld }. Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt die { Lorentzkraft }. Die Drehwirkung einer Kraft heißt { Drehmoment }. Beim klassischen Gleichstrommotor kehrt der { Kommutator } die Stromrichtung um. Die Bürsten stellen den elektrischen { Kontakt } zum drehenden Kommutator her. Die elektrische Leistung wird mit { Spannung mal Stromstärke } berechnet. Das Gegenstück zum Motor ist der { Generator }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===
# [[Motorensuche]]: Finde in Deiner Umgebung fünf Geräte mit Elektromotor und notiere jeweils die erzeugte Bewegung.
# [[Bauteilskizze]]: Zeichne einen einfachen Gleichstrommotor und beschrifte Stator, Rotor, Spule, Bürsten, Kommutator und Welle.
# [[Energiefluss]]: Erstelle ein Pfeildiagramm von der Spannungsquelle bis zur Bewegung und markiere mögliche Energieverluste.
# [[Begriffskarten]]: Gestalte Lernkarten zu sechs zentralen Fachbegriffen des Elektromotors.

{{BR}}
=== Standard ===
# [[Drehrichtungsversuch]]: Untersuche an einem Kleinspannungsmotor, wie sich das Umpolen der Anschlüsse auf die Drehrichtung auswirkt, und protokolliere das Ergebnis.
# [[Spulenmotor]]: Baue unter Aufsicht einen einfachen Spulenmotor und dokumentiere Aufbau, Beobachtung und Erklärung mit Fotos.
# [[Videoanalyse]]: Wähle eines der eingebetteten Videos und erstelle eine gegliederte Zusammenfassung mit drei weiterführenden Fragen.
# [[Motorvergleich]]: Vergleiche Bürstenmotor, bürstenlosen Motor und Schrittmotor in einer Tabelle.

{{BR}}
=== Schwer ===
# [[Leistungsmessung]]: Miss bei einem geeigneten Kleinspannungsmotor Spannung und Stromstärke und berechne die elektrische Eingangsleistung.
# [[Belastungsuntersuchung]]: Entwickle einen sicheren Versuch zur Frage, wie eine zunehmende Last Drehzahl und Stromstärke beeinflusst.
# [[Wirkungsgradmodell]]: Entwirf ein Messkonzept, mit dem elektrische Eingangsleistung und mechanische Ausgangsleistung näherungsweise bestimmt werden können.
# [[Technikfolgenanalyse]]: Untersuche an einem konkreten Anwendungsfall Nutzen, Energiebedarf, Rohstoffe, Reparierbarkeit und Recycling eines elektromotorischen Antriebs.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Funktionskette]]: Erkläre in einer zusammenhängenden Ursache-Wirkungs-Kette, wie aus dem Einschalten des Stroms eine dauerhafte Drehbewegung entsteht.
# [[Fehlerdiagnose]]: Ein Modellmotor erhält Strom, dreht sich aber nicht. Entwickle mindestens vier mögliche Ursachen und passende Prüfungen.
# [[Drehrichtungsanalyse]]: Begründe, was geschieht, wenn nur der Rotorstrom, nur das Statorfeld oder beide gleichzeitig umgekehrt werden.
# [[Formeltransfer]]: Erläutere mithilfe der Formel zur Lorentzkraft, wie Stromstärke, Leiterlänge und magnetische Flussdichte die Kraft beeinflussen.
# [[Motor-Generator-Vergleich]]: Vergleiche Motor und Generator hinsichtlich Energiefluss, physikalischem Prinzip und möglicher Umkehrbarkeit.
# [[Antriebsauswahl]]: Wähle für einen Computerlüfter, einen 3D-Drucker und eine Industriepumpe jeweils eine geeignete Motorart und begründe Deine Entscheidung.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis ist wichtig, dass Du nicht nur Fachbegriffe nennst, sondern die Zusammenhänge verständlich erklärst.

# [[Fachbegriffe]]: Stator, Rotor, Spule, Kommutator, Bürsten, Lorentzkraft und Drehmoment korrekt verwenden.
# [[Funktionsweise]]: Den Ablauf vom Stromfluss bis zur kontinuierlichen Drehung erklären.
# [[Energieumwandlung]]: Eingangsenergie, Nutzenergie und Verluste unterscheiden.
# [[Formelanwendung]]: Einfache Aufgaben zu Leistung, Wirkungsgrad oder Lorentzkraft nachvollziehbar lösen.
# [[Experimentieren]]: Aufbau, Messwerte, Beobachtungen, Sicherheitsregeln und Auswertung sauber dokumentieren.
# [[Transfer]]: Eine geeignete Motorart für eine Anwendung auswählen und begründen.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Elektromotor </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

Der Elektromotor verbindet Elektrizitätslehre, Magnetismus, Mechanik, Energie und Technik. Besonders wichtig ist das Zusammenspiel von Strom, Magnetfeld, Kraft, Drehmoment und Energieumwandlung.

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Elektromotor - Physik]]'''
# [[Elektrischer Strom]]
# [[Magnetfeld]]
# [[Elektromagnet]]
# [[Lorentzkraft]]
# [[Drehmoment]]
# [[Elektrische Leistung]]
# [[Wirkungsgrad]]
# [[Gleichstrommaschine]]
# [[Elektrischer Generator]]
# [[Elektromagnetische Induktion]]
|}

[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Elektrizitätslehre]]
[[Kategorie:Magnetismus]]
[[Kategorie:Elektrotechnik]]
[[Kategorie:Energie]]
[[Kategorie:Klasse 7-8]]
[[Kategorie:Klasse 9-10]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Elektromotor - Physik - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt