272 | Phys. Unserer Zeit | 35. Jahrgang 2004 | Nr. 6 DOI:10.1002/piuz.200401057 © 2004 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

tor nötigen Magnetfelder bereit, zum anderen leitet er denStrom von dem einen Pol der Batterie über den Draht zumanderen Pol zurück. Mehr bedarf es offenbar nicht, um diedurch magnetische Kräfte hervorgerufene einmalige Be-wegung in eine kontinuierliche Bewegung zu transformie-ren oder anders gesagt elektrische in mechanische Energieumzuwandeln. Wir haben es hier im wahrsten Sinne desWortes mit einem Freihandexperiment zu tun: Frei aus derHand und im Handumdrehen in Aktion versetzt, handelt essich um eine High-Tech-Low-Cost-Version eines Elektro-motors.

Dass diese Konstruktion wirklich funktioniert, glaubtman oft erst, wenn man es gesehen oder selbst ausprobierthat. Zu groß erscheinen die Unterschiede zum vertrautenMotor. Denn dieser Konstruktion fehlt nicht nur die Spule,die für ein zweites Magnetfeld sorgt, sondern auch der Kom-mutator,der die Richtung des Stromes im richtigen Momentumpolt.

Wenn man sich jedoch daran erinnert,dass jeder fließen-de Strom von einem Magnetfeld umgeben ist, nähert man

Elektromotoren werden meist als ein kompliziertes Sys-tem aus gewickeltem Draht und einem Magneten an-

gesehen. Deshalb sorgt man für Verwunderung, wenn manaus einer Batterie, einer Holzschraube, einem Zylindermag-neten und einem kurzen Drahtende in wenigen Sekundeneinen Motor zusammenbaut und in schnelle Rotation ver-setzt (Abbildung 1). Passende Neodym-Eisen-Bor-Magneteausreichender Stärke sind zum Beispiel bei www.super-magnete.de kostengünstig erhältlich.

Der Magnet verbindet sich hier mit einer Schraube zueinem Rotor, der dadurch selbst magnetisch geworden amPol einer Batterie zu hängen vermag. Auf diese Weise sindzwei wichtige konstruktive Aufgaben erfüllt: Der Magnethält einerseits wesentliche Bestandteile des Motors zusam-men und andererseits stellt die magnetische Schraube eineäußerst reibungsarme Spitzenlagerung zwischen Rotor undBatterie dar. Die „Lagerung“ der anderen Seite des Rotorsvermittelt die Schwerkraft. Sie sorgt dafür, dass der Rotorstets nach unten gerichtet bleibt und aufgrund dieser „Luft-lagerung“ eine denkbar geringe Reibung erfährt.

Den konstruktiven Rest erledigen die Hände: Mit demZeigefinder der einen Handdrückt man ein Ende des Stromführenden Drahtes an den zwei-ten Pol der Batterie, währendDaumen und Zeigefinder deranderen Hand das andere Endedes Drahtes vorsichtig gegenden Magneten halten: Dies er-möglicht die feine Regelung desSchleifkontakts.

Der aus Schraube und Mag-net bestehende Rotor erfülltzwei wesentliche physikalischeFunktionen: Zum einen stellt ereines der für einen Elektromo-

Spielwiese

Der einfachste Elektromotor der WeltH. JOACHIM SCHLICHTING | CHRISTIAN UCKE

Hängt man einen Zylindermagnet und eine Schraube an deneinen Pol einer Batterie und verbindet den anderen Pol leitendmit dem Magneten, so gerät dieser in schnelle Rotation. Soentsteht wohl der einfachste und am schnellsten herstellbareElektromotor.

Abb. 1 Der Elektromotor im „Handbetrieb“.

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Schnitt durch den Permanentmagneten miteingezeichneten Magnetfeldlinien.

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sich der Klärung des Phänomens: Der sehr hohe Strom, dervon der Batterie durch das Kabel und den Magneten überdie Schraube zurück zur Batterie fließt, muss das Magnet-feld des Zylindermagneten passieren (Abbildung 2). Dabeiwird eine Lorentz-Kraft auf den Strom ausgeübt, die idea-lerweise zu einer Ablenkung senkrecht zur Strom- und zurFeldlinienrichtung des Magneten führt. Die Richtung fin-det man mit Hilfe der Fingerregel der rechten Hand heraus.Als Reaktion auf die Ablenkung des Stromes tritt eine Ge-genkraft auf. Die führt zu einem Drehmoment, das den Zylindermagneten in Rotation versetzt. Die Symmetrie derKonstellation wird dadurch nicht verändert, so dass die Bedingungen für eine kontinuierliche Bewegung, die Rota-tion, erhalten bleiben.

Dass diese Konstruktion zu einer schnellen Rotationführt, hat mehrere Gründe: Zum einen entsteht durch denfaktischen Kurzschluss eine große Stromstärke, und der eingangs empfohlene Magnet besitzt eine große Feldstärke.Zum anderen spielt die geringe Reibung zwischen der spit-zengelagerten Schraube und der Batterie sowie zwischendem Magneten und dem nur leicht touchierenden Leiter-kabel eine wichtige Rolle.

Dieses Spielzeug hat keine praktische Bedeutung, weildie Konstruktion instabil und der Wirkungsgrad gering ist.Dafür stellt es auf durchschaubare und nachvollziehbareWeise das Prinzip des ältesten Typs eines Elektromotorsdar, das Michael Faraday im Jahre 1821 beschrieben hat (Abbildung 3) [1]. Dabei fließt ein Strom über eine Spitzen-lagerung durch einen beweglich aufgehängten Draht,der sich im Feld eines Magneten befindet. Die Enden des Drahtes tauchen in ein Quecksilberbad ein, das den Stromableitet. Auf diese Weise kommt es auf ähnliche Weise zueiner Drehung des Drahtes wie bei unserem Freihandmo-tor. Quecksilber dient als metallischer und gleichzeitig flüs-siger Leiter, der möglichst reibungsarm den elektrischenStrom auf den Rotor überträgt.

Eine ganz ähnliche Konstruktion aus dem Jahre 1822geht auf Peter Barlow zurück. Dieses Barlowsche Rad, dassich in der einen oder anderen Realisation auch heute nochin physikalischen Sammlungen befindet,besteht im Wesent-lichen aus einer senkrecht drehbar gelagerten Scheibe, diesich mit ihrem Rand durch ein Bad aus Quecksilber bewe-gen kann.

Um die großflächige Reibung einer kreisrunden Schei-be weiter zu reduzieren, ist sie sternförmig gezackt. DasRad bewegt sich durch ein Magnetfeld, erzeugt von den Polen eines Hufeisenmagneten.

Beide Konstruktionen unterscheiden sich von unseremFreihandmotor nicht nur durch die komplizierte Strom-führung durch ein Quecksilberbad, sondern auch dadurch,dass stromdurchflossener Rotor und Magnet voneinandergetrennt sind.

Die hier diskutierten Versionen eines Elektromotorswerden in jüngster Zeit wieder unter dem Namen Mono-polar- oder Unipolarmotor unter verschiedenen Aspekteneiner möglichen Anwendung diskutiert [2].

Hier bewahrheitet sich ein Zitat des französischen Phy-sikers und Dichters Gaston Bachelard: Elektrische Experi-mente sind die klarsten und erfreulichsten unter all jenen,welche die Physik anbietet.

ZusammenfassungDas älteste Prinzip eines Elektromotors ist mit Hilfe modernerMaterialien als Freihandexperiment einfach demonstrierbar.Es kann in wenigen Sekunden im wahrsten Sinne des Wortes„frei aus der Hand“ realisiert werden und illustriert auf durch-schaubare Weise die Umsetzung von elektrischer in mecha-nische Energie. Diese Art des Elektromotors wird auch Mono-polar- oder Unipolarmotor genannt.

StichworteFreihandversuche, Monopolarmotor, Unipolarmotor, Fara-day, Barlowsches Rad.

Literatur [1] Müller-Poulliets Lehrbuch der Physik und Meteorologie,

Vieweg & Sohn 1914, S. 677

[2] J. Guala-Valverde, P. Mazzoni, R. Achilles, Am. J. Phys. 22000022, 70 (10), 1052

Die AutorenDie beiden Autoren sind Begründer unserer Reihe Spielwiese und schreiben seitvielen Jahren für unsere Zeitschrift.

Anschriften

Prof. Dr. H. Joachim Schlichting, Institut für Didaktik der Physik, Universität Münster, Wilhelm-Klemm-Straße 10, 48149 Münster.schlichting@uni-muenster.de

Dr. Christian Ucke, Technische Universität München, Physikdepartment E20,85747 Garching. Cucke@ph.tum.de

A B B . 3 | KO N S T R U K T I O N N AC H FA R A DAYPrinzip des ältes-ten Elektromo-tors, entworfenvon MichaelFaraday 1821(aus [1]).