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Gleichstrommotor – Kommutator, F = BIL, Drehmoment und Gegenspannung

PhysikElektrische und magnetische FelderAlter 17–18

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Eine Spule mit N Windungen dreht sich zwischen zwei Magnetpolen und wird über einen Kommutator (Polwender) und Bürsten versorgt. Ändern Sie Stromstärke, Magnetfeld, Windungszahl, Spulenfläche und Last und beobachten Sie die Kraft auf jede Seite, das Drehmoment τ = NBIA·cosθ, die Drehzahl und warum der Kommutator den Strom jede halbe Umdrehung umpolen muss. Mit Blick entlang der Achse, Linke-Hand-Regel, Diagrammen von Drehmoment über Winkel sowie Drehzahl und Strom über Zeit, Spannungsquelle mit Gegenspannung, Vergleich mit den Schleifringen eines Wechselstromgenerators und Messtabelle.

Lektion: Der Gleichstrommotor: Kraft auf eine stromdurchflossene Spule, Kräftepaar und Drehmoment, Kommutator und Bürsten, Gegenspannung

Was sie zeigt

Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt die Kraft F = BIL senkrecht zu Feld und Strom (Richtung nach der Linke-Hand-Regel). Bei einer Spule sind die Kräfte auf die beiden langen Seiten gleich groß und entgegengesetzt; sie bilden ein Kräftepaar mit dem Drehmoment τ = NBIA·cosθ, wobei θ der Winkel zwischen Spulenebene und Feld ist. Der Kommutator polt den Strom jede halbe Umdrehung um, sodass das Drehmoment seine Richtung behält. Bei einer Spannungsquelle induziert die drehende Spule eine Gegenspannung, die den Strom mit steigender Drehzahl verringert.

So funktioniert es

Klicken Sie auf Start und beobachten Sie die Spule. Ändern Sie Stromstärke I, Magnetfeld B, Windungen N, Spulenfläche A und Lastmoment, warten Sie auf eine konstante Drehzahl und klicken Sie auf Messwert speichern. Probieren Sie Strom umpolen und Pole tauschen. Stellen Sie Kommutator auf Schleifringe oder Quelle auf Spannung (mit Gegenspannung). Ziehen Sie die Spule in der Achsansicht, nutzen Sie Anstoßen in der Totlage und wählen Sie das Diagramm.

Einstellbare Parameter

  • Stromversorgung Konstantstromquelle, Spannungsquelle (mit Gegenspannung)
  • Stromstärke I 0–3 A
  • Quellenspannung U 0–12 V
  • Kommutator Kommutator (Polwender), Schleifringe
  • Magnetische Flussdichte B 0,05–0,4 T
  • Windungszahl N 10–100
  • Spulenfläche A 4–25 cm²
  • Lastmoment 0–20 mN·m
  • Strom umpolen
  • Magnetpole tauschen
  • Startwinkel θ zwischen Spulenebene und B 0–180 °
  • Zeitlupe Aus (echte Geschwindigkeit), 10-mal langsamer, 50-mal langsamer, 200-mal langsamer
  • Kräfte anzeigen
  • Linke-Hand-Regel anzeigen
  • Diagramm Drehmoment über Winkel, Drehzahl über Zeit, Strom über Zeit

Fragen zum Erkunden

  1. Warum wird das Drehmoment null, wenn die Spulenebene senkrecht zum Magnetfeld steht?
  2. Was passiert mit der Spule, wenn man den Kommutator durch Schleifringe ersetzt, und warum?
  3. Warum ist bei einer Spannungsquelle der Strom am größten, wenn der Motor blockiert ist?

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