Arbeitsblatt: Projekt Elektromotor

NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen Der Elektromotor Physikprojekt von: Du lernst, wie ein Elektromotor funktioniert wie ein Elektromotor aufgebaut ist welche verschiedenen Arten von Elektromotoren es gibt. was der Unterschied zwischen Gleich- und Wechselstrommotoren ist wo Elektromotoren eingesetzt werden. NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen 1 Elektromotor bauen Material 1 Holzklötzchen 2 cm 2 cm 5 cm 3 lackierten Kupferdraht 0,5 mm 2 gelochte Metallplatten 1 kleiner Magnet (Neodym) 4 Holzschrauben 3 12 mm 1 AA-Batterie 1 Plastikröhrchen 45 mm Isolierband Werkzeug Rundholz 3 cm Cutter Kreuzschlitzschraubenzieher Ahle 1.1 Anleitung Folge der Anleitung und baue einen Elektromotor. 1. Metallplatten an die schmale Seite des Holzklötzchens anlegen und mit der Ahle auf beiden Seiten zwei Löcher markieren. Abbildung 7 2. Metallplatten mit zwei Holzschrauben auf beiden Seiten des Klötzchens befestigen. Siehe Abbildung 1. 3. Einen Streifen Isolierband mit der Klebefläche nach oben auf das Rundholz legen und mit zwei kleinen Abschnitten vom Isolierband befestigen. Den Kupferdraht eng darüber wickeln. Siehe Abbildung 2. 4. Ein ca. 8 cm langes Stück am Anfang und Ende des Drahtes frei hängen lassen. Siehe Abbildung 3. Abbildung 1 5. Wenn der Draht fast ganz herumgewickelt ist, das Abbildung 2 Isolierband vom Untergrund lösen und möglichst fest zusammenkleben, damit die Spule nicht aufspringt. Dann die Spirale vom Stab ziehen und mit einem weiteren Stück Isolierband auf der gegenüberliegenden Spulenseite sichern. Siehe Abbildung 3. 6. Das Röhrchen durch die Wicklungen der Spirale schieben. Anschliessend die Enden des Röhrchens durch Umwickeln mit den Drahtenden in der Mitte der Spule fixieren. Siehe Abbildung 4. 7. Nun die Enden des Drahtes jeweils von links und rechts durch das Röhrchen schieben. Siehe Abbildung 5. Abbildung 3 Abbildung 4 8. Mit einem scharfen Messer den Lack an der „Oberseite der beiden Drahtenden, die aus dem Plastikröhrchen herausschauen, mit dem Messer abkratzen. Das rosafarbene Kupfermaterial muss zu sehen sein. Bitte nur die Oberseite ankratzen (abisolieren) siehe Abbildung 6/7 9. Die Spule vorsichtig mit den Drahtenden zwischen die Metallplatten hängen. 10. Batterie und Magnet wie auf dem Bild einlegen. Die Batterie muss einen guten Kontakt zu den Metallplatten haben, evtl. diese noch etwas nach innen biegen. Dann die Spule etwas anschubsen, damit sie sich zu drehen beginnt. Siehe Abbildung 8 (nächste Seite). Abbildung 5 Abbildung 6 NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen Abbildung 8 Trouble Shooting: Falls der Elektromotor nicht funktioniert, überprüfe folgende Fehlerquellen: Prüfe, ob du eine aufgeladene Batterie bei dir hast und ob die Kontaktstellen am Minus- und Pluspol funktionieren. Prüfe, ob der Magnet funktioniert. Prüfe, ob die Drahtenden in den Löchern immer gerade aufliegen. Prüfe, ob eine Hälfte des Drahtumfangs abisoliert ist. Falls nicht, nimmst du die Spule noch einmal heraus und kratzt mehr vom Lack ab. Prüfe, ob eine Hälfte des Drahtumfangs lackiert (isoliert) geblieben ist. Falls nicht, musst du das Stück abschneiden, dann ein bisschen Draht von der aufgewickelten Spule abwickeln und nochmals abisolieren. NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen 1.2 Skizze: Erstelle eine Skizze von deinem Elektromotor und beschrifte die Teile. Begriffe: Stator (Dauermagnet), Rotor (Elektromagnet), Stromquelle, NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen 1.3 Fragen zu deinem Elektromotor Bitte beantworte die folgenden Fragen. 1. Hat der Elektromotor auf Anhieb funktioniert? Ja/Nein? Falls nein, warum nicht? Was musstest du ändern? 2. Wenn der Elektromotor in die Gegenrichtung drehen soll, was musst du dafür umbauen? 3. Versuche deinen Elektromotor schneller drehen zu lassen. Beschreibe wie du vorgehst. 4. Warum musstest du die Enden vom Draht abkratzen? Was passiert, wenn du auf beiden Seiten den Lack abkratzt? Was passiert, wenn du den Lack dranlässt? 5. Was hat der einfache Elektromotor mit Spule und Stabmagnet mit deinem Elektromotor gemeinsam? 6. Was ist der grösste Nachteil deines Elektromotors, wenn du ihn mit einem normalen Elektromotor vergleichst? NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen 2 Der Elektromotor mit Kommutator Dein Elektromotor, funktioniert durch das kurze Unterbrechen des Stromkreises. Der grosse Nachteil ist jedoch, dass er angeschoben werden muss, sonst wird er sich nicht bewegen. Dies wäre für einen Elektromotor der in einem Auto, einer Drohne, einer elektrischen Zahnbürste oder einem Staubsauger verbaut ist nicht vorstellbar. Oder muss eines dieser Geräte etwa angeschoben werden? Neben dem Stator und dem Rotor verfügen Elektromotoren deshalb über einen Kommutator. Der ist nötig, damit ein Elektromotor gleichmässig ohne Unterbrechung sich bewegen kann. Der Kommutator ändert bei der Drehung die Stromrichtung in den Spulen. Mit der umgekehrten Stromrichtung polt sich auch das Magnetfeld des Elektromagneten um. So stehen sich jeweils gleiche Magnetpole gegenüber, die sich mit aller Kraft abstossen. Der Rotor dreht sich so weit, bis sich die ungleichen Magnetpole wieder anziehen. Kurz vor der erneuten optimalen Ausrichtung wird der Strom wieder umgepolt und der Prozess beginnt von Neuem. Dadurch entsteht eine gleichmässige Drehkraft (Drehmoment) und der Rotor dreht sich immer weiter, bis du den Strom unterbrichst. Kurz bevor der Rotor die optimale Ausrichtung erreicht hat (1.), wird der Strom für einen kurzen Moment über den Kommutator abgeschaltet (sogenannter Totpunkt) (2.) und gleich darauf mit umgekehrter Polung wieder eingeschaltet (3.). Merke: Kommutator wird auch Kollektor, Stromwender oder Polwender genannt. 2.1 Die Funktionsweise des einfachen Elektromotors Schaue dir zuerst das Erklärvideo OM1.12 an und beschreibe danach die Bilderfolge (Bild 1 bis Bild 5). Anschliessend zeichnest du bei den Bildern die Drehrichtung mit Pfeilen ein. 1 2 3 4 5 NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen 2.2 Aufbau eines einfachen Elektromotors. Lese den nachfolgenden Text aufmerksam durch und beschrifte anschliessend die einzelnen Teile dieses einfachen Elektromotors. In einem Elektromotor befinden sich zwei Magnete. Diese Magnete sind so eingebaut, dass der Nordpol und der Südpol gegeneinander zeigen. Zwischen den Magneten befindet sich eine Spule mit einem Eisenkern. Durch die Spule geht eine Achse. Auf der Achse befindet sich der Kommutator. Der Kommutator besteht aus zwei Halbringen mit einer isolierenden Schicht dazwischen. Der eine Halbring ist mit dem einen Drahtende der Spule verbunden, der andere Halbring ist mit dem anderen Drahtende der Spule verbunden. Spule, Eisenkern, Achse und Kommutator bilden zusammen den Rotor. Der Rotor ist der Teil des Elektromotors, der sich dreht. Die beiden Schleifkontakte berühren den Kommutator auf je einer Seite. 1 7 2 8 3 9 4 10 5 11 6 NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen 3 Elektromotoren mit drei oder mehr Spulen Neben einfachen Elektromotoren gibt es auch solche mit drei oder mehr Spulen. Denn einen einfachen Elektromotor müsste man im Alltag immer wieder anschubsen, wenn der Rotor ganz waagerecht ist. Dies wäre ziemlich unpraktisch. Darum haben viele Elektromotoren drei oder mehr Spulen. Betrachte die Darstellung eines Elektromotors mit drei Spulen. Zeichne anschliessend die Drehrichtung ein. 1. Was passiert bei dem Elektromotor mit drei Spulen? 2. Was sind die Vorteile von Elektromotoren mit drei oder mehr Spulen? 3. Wo werden drei- und mehrspulige Elektromotoren verbaut? NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen 4 Gleich- und Wechselstrommotoren 4.1 Der Gleichstrommotor Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines Gleichstrommotors Die wesentlichen Bauteile eines Gleichstrommotors, auch DC-Motor genannt, (Abb. 2) sind der Feldmagnet (Stator), der drehbar gelagerte Anker (Rotor), der Kommutator (Polwender) und die Schleifkontakte. Das Hauptmerkmal des Motors ist der Kommutator, der dafür sorgt, dass der Motor nicht stillsteht, indem er Stromrichtung im Rotor (siehe Aufgabe 1b) bei jeder halben Drehung wechselt. Abbildung 3: Gleichstrom vs. Wechselstrom 4.2 Der Wechselstrommotor Der Wechselstrommotor auch AC-Motor genannt ändert seine Richtung ständig (ca. 50mal pro Sekunde). Betreibt man einen Motor mit Wechselstrom, so ist es nicht nötig, die Pole des Magnetfeldes zu wechseln. Denn der Strom wechselt sowieso mehrmals pro Sekunde die Richtung. Wechselstrommotoren brauchen folglich keinen Kommutator. a) Was sind die Unterschiede zwischen Gleich- und Wechselstrommotoren? b) Was sind die Vor- und Nachteile von Gleichstrommotoren gegenüber Wechselstrommotoren? c) Wo werden Gleichstrommotoren (DC-Motor) eingesetzt, wo werden Wechselstrommotoren (AC-Motor) eingesetzt? Nenne je 2 Beispiele: DC: AC: NaTech8 Kapitel 1 – Stromkreise untersuchen