Mit Experimenten werden wir alle zu Abenteurern, die die Welt entdecken wollen. Experimente machen naturwissenschaftliche Phänomene be"greifbar" und naturwissenschaftliche Gesetzmäßigkeiten können so besser verstanden und nachhaltig gefestigt werden.

Die folgenden Experimente zeigen das Funktionsprinzip der Elektromotoren und die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und elektrischem Strom, die den Rotor in Bewegung versetzt. Die Elektromotoren wandeln einen Teil ihrer elektrischen Energie in mechanische Energie um und finden somit viele Anwendungen in Industrie und Mobilität.

Wir zeigen Ihnen auf dieser Seite unsere drei Experimente aus unserem Mini-Set Elektromotoren: Gleichstrommotor, "Akku-Schrauber" Homopolarmotor und ein Draht drehender Homopolarmotor.

Dieses Mini-Set Elektromotoren gibt es auch als 10er Pack für die Klassen 5-8 und als 10er Pack ab Klasse 9 mit den passenden Arbeitsblättern, ausgedruckt als Kopiervorlage.

Versuch 1 – Der Gleichstrommotor

Materialliste: Batterie AA, 2 Büroklammern, 50 cm Kupferdraht und einen Neodym-Magnet
zusätzlich erforderlich: Klebeband

Versuchsdurchführung:

1. Miss den Kupferdraht und schneide bei 50 cm ab. Hebe den restlichen Draht auf, da er für die nächsten Experimente benötigt wird.

2. Wickle mit dem Kupferdraht (z. B. um einen dicken Filzstift oder die Batterie) eine Spule mit etwa 7 Windungen wie in Abb. 1. Verknote die beiden Enden mit einer Umdrehung um die Spule und lasse diese ca. 4 cm herausragen.

3. Die beiden Enden stellen nicht nur die Drehachse dar, sondern ermöglichen auch den Stromfluss. Deswegen muss die Isolierung der einen Seite vollständig entfernt werden und die der anderen nicht komplett. Wie in der Abb. 2 gezeigt, muss auf einer Seite ein ganz dünner Isolationsstreifen verbleiben.

4. Biege die Büroklammern nach Abb. 3 und befestige sie mithilfe des Klebebands an der Batterie.

5. Lege den Neodym-Magneten auf die Batterie und platziere die Spule auf den Halterungen der Büroklammern s. Abb. 4. 

Die Halterungen der Büroklammern müssen in derselben Höhe sein, sodass sich die Spule auf ihnen gleichmäßig drehen kann.

6. Jetzt sollte dein Motor funktionieren.

Versuchsauswertung:

1820 entdeckte Hans Christian Ørsted, dass stromdurchflossene Leiter ein Magnetfeld aufbauen.
Genau auf diesem Prinzip basiert der folgende Elektromotor. Wenn die Spule auf den Halterungen der Büroklammern platziert ist, fließt ein Strom hindurch und verwandelt die Spule in einen Elektromagneten. Der Nordpol des Neodym-Magneten wird den entstandenen Nordpol der Spule abstoßen und den Südpol anziehen. Dadurch fängt die Spule zu rotieren an.

Sobald der Südpol der Spule mit dem Nordpol des Magneten ausgerichtet ist, würde die Bewegung anhalten. Damit dies nicht passiert, muss ein dünner Streifen der Spule noch isoliert bleiben, sodass der Strom für kurze Zeit nicht fließen kann. Der Drehimpuls der Spule forciert aber die weitere Bewegung der Spule. Der Strom fließt durch den wieder geschlossenen Stromkreis. Die Spule wird in die gleiche Drehrichtung weiterrotieren und der Prozess beginnt von vorn.

Hier können Sie das Arbeitsblatt "Gleichstrommotor" für die 5. - 8. Klasse herunterladen.
Und hier finden Sie das Arbeitsblatt "Gleichstrommotor" ab der 9. Klasse. 

Versuch 2 – " Der Akku-Schrauber" Homopolarmotor

Materialliste: Batterie AA, 15 cm Kupferdraht, Neodym-Magnet und 1 Schraube
zusätzlich erforderlich: Klebeband

Versuchsdurchführung:

1. Isoliere die zwei Enden des lackierten Kupferdrahts ab, damit er als Kabel verwendet werden kann.

2. Platziere den Schraubkopf mittig auf dem Neodym-Magneten.

3. Verbinde ein Ende des Kupferdrahts mit einem Pol der Batterie und befestige es mit etwas Klebeband. Halte es zusätzlich mit einem Finger wie in der Abbildung fest.

4. Bringe den freien Pol der Batterie auf die Spitze der Schraube und hebe das entstehende System (aus Magnet, Schraube, Batterie und Draht) hoch.

5. Berühre den Neodym-Magneten mit dem anderen Ende des Kupferdrahts.

Versuchsauswertung:

Die Schraube wird von dem Neodym-Magneten so stark magnetisiert, dass sie an dem Batteriepol hängen kann. Die Schraube mit dem Neodym-Magneten bildet den beweglichen Teil des Elektromotors, den sogenannten Rotor. Ein Ende des Drahts wird mit dem Pol der Batterie verbunden und das zweite berührt den Neodym-Magneten, sodass der Rotor sich dreht.

Sobald der Stromkreis geschlossen ist, beginnt der Rotor sich zu drehen. Der durch den Rotor fließende Strom und das starke Magnetfeld des Neodym-Magneten bewirken eine Lorentz-Kraft, die den Rotor in Drehbewegung versetzt.

Die Lorentz-Kraft, die Magnetfeldrichtung und der Strom sind jeweils senkrecht zueinander gerichtet. Die Lorentz-Kraft bestimmt dabei die Drehrichtung des Rotors.

Hier können Sie das Arbeitsblatt "Akku-Schrauber" für die 5. - 8. Klasse herunterladen.
Und hier finden Sie das Arbeitsblatt "Akku-Schrauber" ab der 9. Klasse.

Versuch 3 – Draht drehender Homopolarmotor

Materialliste: Batterie AA, 15cm Kupferdraht und einen Neodym-Magneten

Versuchsdurchführung:

1. Isoliere die zwei Enden und einen kleinen Bereich in der Mitte des Drahts ab s. Abb.

2. Biege den Draht genau wie dort gezeigt. Versuche dabei, ihn relativ symmetrisch aufzubauen. Achte darauf, dass die zwei Enden des Drahts lang genug sind, um die Mitte des Magneten zu erreichen.

3. Platziere die Batterie auf dem Magneten.

4. Positioniere den Draht mit der abisolierten Spitze so auf der Batterie, dass die zwei Enden den Magneten leicht berühren.

Versuchsauswertung:

Sobald der Draht auf der Batterie platziert ist und die beiden Enden den Magneten berühren, wird der Stromkreis geschlossen. Jeder bewegte Ladungsträger innerhalb eines Magnetfelds erfährt eine Kraft, die sogenannte Lorentz-Kraft.

Mithilfe der Drei-Finger-Regel kann die Richtung der wirkenden Lorentz-Kraft bestimmt werden. Sie führt die Drehrichtung des Drahts herbei s. Abb. rechts.

Wenn sich die Polarität der Batterie oder des Magneten ändert, dreht sich der Draht in die entgegengesetzte Richtung.

Hier finden Sie das Arbeitsblatt zum "Draht drehenden Homopolarmotor" für die 5. - 8. Klasse zum Download.
Und hier das Arbeitsblatt zum "Draht drehenden Homopolarmotor" ab der 9. Klasse.

Sicherheitshinweise

Neodym-Magnete sind keine Kinderspielzeuge. Die Schüler*innen dürfen sie nur unter Aufsicht verwenden. Die Neodym-Magnete können die Funktion medizinischer Geräte wie Herzschrittmacher oder Defibrillatoren beeinflussen. Achten Sie bitte stets darauf, dass keine Körperregionen zwischen Magnete und ferromagnetische Materialien geraten, da ansonsten Quetschungen entstehen können. In der Nähe der Magnete dürfen sich keine ferromagnetischen Teile (Werkzeuge, Nägel, Messer) befinden. Elektronische Geräte (wie Handys und Laptops), Uhren, Kredit- und Speicherkarten können beschädigt werden, wenn sie sich in der Nähe des starken Magnetfelds befinden.

Der Kupferdraht kann sich nach kurzer Zeit erhitzen. Empfohlene maximale Versuchszeit 1 Min.

Die Spitze und das Gewinde einer Schraube sind besonders scharfkantig, daher eine vorsichtige Handhabe, um Verletzungen zu vermeiden.

Vollständig geladene Batterien mit 1,5 V sind nach etwa 12 Minuten Motorlaufzeit entladen. Nach der Verwendung müssen die Batterien in die dafür vorgesehenen Rücknahmesysteme überführt werden.