Elektromotoren

Halte zwei Magnete gegeneinander und du spürst sie: eine unsichtbare Kraft, die zieht oder drückt, ganz ohne Berührung. Ein Elektromotor macht aus genau dieser Kraft eine Drehung. Er surrt im Spielzeugauto, dreht die Trommel der Waschmaschine, treibt Bohrmaschinen, Züge und E-Autos an. Der Trick dahinter ist überraschend einfach und seit fast 200 Jahren derselbe.

Anziehen und abstoßen

Jeder Magnet hat einen Nordpol und einen Südpol. Ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. Und jetzt der entscheidende Punkt: Fließt Strom durch eine Drahtspule, wird die Spule selbst zum Magneten, einem Elektromagneten. Der hat einen riesigen Vorteil gegenüber einem normalen Magneten: Man kann ihn per Strom ein- und ausschalten und sogar seine Pole vertauschen, indem man die Stromrichtung umdreht.

Der Trick mit dem Kommutator

Im Motor sitzt eine drehbare Spule zwischen zwei festen Magneten. Fließt Strom, wird die Spule magnetisch, wird vom einen Pol abgestoßen und vom anderen angezogen und dreht sich los. Doch nach einer halben Drehung wäre Schluss: Die Pole stünden passend zueinander und die Spule bliebe stehen. Hier hilft der Kommutator, ein geteilter Metallring an der Achse. Er dreht die Stromrichtung in der Spule in genau diesem Moment um. Dadurch tauschen die Pole der Spule, das Abstoßen beginnt von vorn, und der Motor dreht weiter und weiter. In modernen E-Autos übernimmt Elektronik dieses Umschalten, ganz ohne schleifende Kontakte. Das Prinzip bleibt genau dasselbe.

Vom Spielzeug bis zum E-Auto

Das Prinzip bleibt gleich, nur die Größe ändert sich. Die Stärke eines Motors gibt man in Watt an, der Einheit für Leistung. Der Motor im Spielzeugauto leistet etwa 1 Watt, der einer Bohrmaschine einige hundert Watt, der eines E-Autos über 100 Kilowatt, also 100000 Watt. Elektromotoren sind dabei erstaunlich effizient: Große Motoren verwandeln oft mehr als 90 Prozent des Stroms in Bewegung, ganz kleine Spielzeugmotoren deutlich weniger. Ein Benzinmotor schafft nur um die 30 Prozent, der Rest wird Wärme. Außerdem liefert ein Elektromotor seine volle Zugkraft schon aus dem Stillstand heraus, deshalb beschleunigen E-Autos so kräftig.

Der Generator, ein Motor rückwärts

Jetzt kommt das Schönste: Das Ganze funktioniert auch umgekehrt. Dreht man die Spule zwischen den Magneten von außen, entsteht in ihr ein Strom. Aus dem Motor wird ein Generator. Ein Fahrraddynamo ist genau das, und auch die riesigen Generatoren in Kraftwerken und Windrädern arbeiten so. E-Autos nutzen beide Richtungen: Beim Fahren ist der Motor ein Motor, beim Bremsen wird er zum Generator und speist die Bewegungsenergie als Strom zurück in den Akku.