Modelleisenbahn Zur Theorie von Elektro-Kleinmotoren (1)

 

1) Physikalische Grundlagen

Wenn auch das hier Dargelegte weitestgehend für alle Elektro-Kleinmotoren gilt, beziehen sich die folgenden Überlegungen speziell auf einfache Permanentmagnet-Motoren für Gleichstrom und heben einige Aspekte hervor, die die Eigenschaften dieser Motoren, die sich bekanntlich in unseren Märklin-Miniclub-SpurZ-Lokomotiven befinden, kennzeichnen und somit das Fahrverhalten der Lokomotiven besser verstehen lassen.

Nach grundlegenden Gesetzen der Physik gilt:
Bild 1: Wird ein Stromleiter (als Teil einer Leiterschleife, d.h. eines Stromkreises) in einem Magnetfeld so bewegt, daß sich der magnetische Fluß in der Leiterschleife ändert, so wir in dieser eine elektrische Spannung induziert.
Dieses Gesetz heißt in den Schul-Lehrbüchern der Physik: 1. Faradaysches Induktionsgesetz.
Die Größe der induzierten Spannung Ui hängt von der Stärke des Magnetfeldes B, der Länge des Stromleiters L im Magnetfeld und der Geschwindigkeit v der Bewegung ab, also Ui = B x L x v (Gleichung 1), wobei die Richtungen von Ui, B und v den Pfeilspitzen entsprechen und senkrecht aufeinander stehen.
Bild 2: Umgekehrt gilt für die gleiche gedachte Versuchsanordnung: Auf einen von einem Strom durchflossenen Stromleiter wirkt in einem Magnetfeld eine Kraft, die diesen abzulenken versucht.
Die Größe der Kraft K hängt wieder von der Stärke des Magnetfeldes B, der Länge L des Stromleiters im Magnetfeld und der Stärke des Stromes I ab, also K = B x L x I (Gleichung 2), wobei die Richtungen von K, B, I wiederum den Pfeilspitzen entsprechen und senkrecht aufeinander stehen.

Erläuterungen: 1) Das Magnetfeld wird in den Bildern hier von Permanentmagneten erzeugt, dessen Richtung man sich durch sogenannte magnetische Feldlinien dargestellt denkt, die vom Nordpol zum Südpol des Magneten verlaufen. Diese Feldlinien kann man durch feine Eisen-Feilspäne sichtbar machen. Hier im Bild wird die Richtung des Magnetfeldes durch einen senkrechten Pfeil angedeutet. Näheres zum Magnetfeld siehe auch weiter unten.
2) Der Stromleiter der Länge L ist in den Bildern als an zwei dünnen senkrechten Drähten aufgehängter Stab zu denken, so daß er sich im Magnetfeld in Pfeilrichtung v bzw. K bewegen kann. Wenn man nur kleine Bewegungen in Betracht zieht, kann man sich diese als geradlinig denken. Für die Größe von L ist nur das im Magnetfeld befindliche Stück des Stromleiters einzusetzen, das also etwa der Breite der Polschuhe entspricht.
3) Aus dem Gesetz zu Bild 2 ergibt sich schon, daß Motoren mit Permanentmagneten nur mit Gleichstrom (oder pulsierendem Gleichstrom) betrieben werden können, da sich bei Wechselstrom die Richtung des Strompfeils und damit die Richtung des Kraftpfeils mit der Frequenz des Wechselstromes umkehren würde und der Stromleiter allenfalls bei hinreichend geringer Trägheit nur "hin- und herzappeln" würde. Universalmotoren (für Gleich- und Wechselstrom) besitzen daher statt des Permanentmagneten eine das Magnetfeld erzeugende Magnetspule, deren Strom und damit die Magnetfeldrichtung ebenfalls umgepolt werden (so z.B. bei den Märklin-H0-Wechselstrommotoren).
4) Wenn die bezeichneten Größen, wie hier angenommen, nicht senkrecht aufeinander stehen, werden die Formeln für Ui und K etwas komplizierter, am Prinzip ändert sich aber nichts.)

Man kann also die gleiche Anordnung benutzen, um eine elektrische Spannung zu erzeugen und spricht dann von einem Generator (Dynamo) oder mittels des elektrischen Stromes eine Bewegung zu erzeugen und spricht dann von einem Elektromotor.