Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Elektromotor - Physik

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.

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

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.

Physikalische Grundlagen

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.

Die elektrische Eingangsleistung berechnet sich mit:

$P_{e l} = U \cdot I$

Dabei ist $U$ die Spannung und $I$ die Stromstärke. Für eine rotierende Welle gilt:

$P_{m e c h} = M \cdot ω$

Dabei steht $M$ für das Drehmoment und $ω$ für die Winkelgeschwindigkeit. Der Wirkungsgrad ist:

$η = \frac{P_{m e c h}}{P_{e l}}$

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

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.

Lorentzkraft und Drehmoment

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

$F = B \cdot I \cdot l \cdot \sin (α)$

Dabei ist $B$ die magnetische Flussdichte, $I$ die Stromstärke, $l$ die Leiterlänge im Feld und $α$ 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 $N$ Windungen und der Fläche $A$ gilt vereinfacht:

$M = N \cdot I \cdot A \cdot B \cdot \sin (α)$

Aufbau eines einfachen Gleichstrommotors

Ein schulischer Modellmotor besteht meist aus den folgenden Bauteilen:

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.

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.

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.

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.

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

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.

Motorarten im Überblick

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

Motor und Generator

Motor und 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.

Gerät	Eingangsenergie	Ausgangsenergie
Elektromotor	Elektrische Energie	Mechanische Energie
Generator	Mechanische Energie	Elektrische Energie

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.

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.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

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)

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

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)

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

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)

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)

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

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)

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

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)

Memory

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

Drag and Drop

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

Kreuzworträtsel

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?

LearningApps

Lückentext

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in

um. Der feststehende Teil eines Motors heißt

. Der drehbare Teil wird

genannt. Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein

. Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt die

. Die Drehwirkung einer Kraft heißt

. Beim klassischen Gleichstrommotor kehrt der

die Stromrichtung um. Die Bürsten stellen den elektrischen

zum drehenden Kommutator her. Die elektrische Leistung wird mit

berechnet. Das Gegenstück zum Motor ist der

.

Offene Aufgaben

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.

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.

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.

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.

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.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

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

Elektromotor - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.