Er treibt Maschinen und Fahrzeuge an – doch wie funktioniert ein Elektromotor? Wir erklären dir, wie aus Strom Bewegung wird und wo Elektromotoren eingesetzt werden.
Viele Maschinen und Fahrzeuge wie E-Autos oder E-Bikes werden von einem Elektromotor angetrieben. Nicht Benzin, Diesel, Erdöl oder Gas treiben diesen Motor an, sondern Strom. Dessen elektrische Energie wandelt der Elektromotor in Bewegung um.
In allen Einzelheiten zu verstehen, wie ein Elektromotor funktioniert, ist schwierig. Das Grundkonzept jedoch ist sehr einfach. Es basiert auf Strom – und Magneten.
Tipp: Dieses Video der „Sendung mit der Maus“ erklärt sehr anschaulich an einem Modell, wie Elektromotoren funktionieren:
https://www.wdrmaus.de/filme/sachgeschichten/elektromotor.php5
Wie funktioniert ein Elektromotor? Das Prinzip
Um zu verstehen, wie ein Elektromotor funktioniert, musst du dich zunächst mit Magneten beschäftigen – denn die sind das Wichtigste am Elektromotor.
Magneten ziehen bestimmte Metalle an. Außerdem ziehen zwei Magneten sich gegenseitig an. Allerdings nicht immer: Magneten haben zwei Seiten, die Nord- und Südpol genannt werden. Es gilt: Entgegengesetzte Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab.
Wenn du also den Nordpol des einen Magneten dem Nordpol des anderen Magneten näherst, stoßen sich die beiden ab. Was passiert? Der Nordpol des zweiten Magneten bewegt sich ein Stück vom anderen Nordpol weg. Das gleiche gilt natürlich auch für die beiden Südpole. Ein Magnet kann also einen anderen Magnet in Bewegung setzen. Das ist das Grundprinzip des Elektromotors.
Jetzt muss nur noch der Strom ins Spiel kommen. Dieser sorgt dafür, dass sich der zweite Magnet nicht nur kurz bewegt, sondern dauerhaft.
Wie funktioniert ein Elektromotor?
Ein simpler Elektromotor besteht aus zwei Magneten:
- Einer dieser Magneten ist u-förmig. Das eine Ende vom U ist der Südpol, das andere Ende ist der Nordpol. Der Magnet ist fest verankert, kann sich also nicht bewegen.
- Der andere Magnet ist eine Drahtspule, die zwischen den Polen des ersten Magneten aufgehängt ist – sie kann sich drehen. Damit die Spule sich magnetisch auflädt, sind ihre beiden Enden mit einer Batterie verbunden. So fließt Strom durch die Spule – und sie wird magnetisch. Dieses Prinzip nennt sich „Elektromagnetismus“.
Du hast also einen festen „normalen“ Magneten und einen drehbaren Elektromagneten. Dieser hat natürlich auch einen Nord- und einen Südpol. Sie zeigen zu den Nord- und Südpolen des festen Magneten. Der Knackpunkt ist: Indem du den Strom in der Spule umkehrst, vertauschst du die Pole des Elektromagneten. Damit die Stromrichtung sich umkehrt, musst du die Pole der Batterie vertauschen.
Nach diesem Prinzip funktioniert der Elektromotor:
- Die Spule wird an die Batterie angeschlossen – und zwar so, dass ihr Nordpol gegenüber vom Nordpol des festen Magneten liegt. Die beiden Pole stoßen sich ab. Da nur die Spule sich bewegen kann, muss sie „ausweichen“ und beginnt sich zu drehen.
- Irgendwann hat die Spule beinahe einen Halbkreis geschafft. Das heißt, ihr Südpol nähert sich dem Nordpol des festen Magneten. Wenn jetzt nichts geschieht, werden die Pole einander gegenüber zum Stehen kommen – denn sie ziehen sich an.
- Damit sich die Spule weiter bewegt, kommt der oben genannte Knackpunkt ins Spiel: Sobald sich die beiden anziehenden Pole gegenüberliegen, werden die Pole der Spule umgekehrt.
- So liegen sich wieder Nord- und Nordpol gegenüber und stoßen sich ab. Die Spule dreht sich weiter.
In einem Elektromotor wird die Stromrichtung automatisch im richtigen Zeitpunkt vertauscht, sodass sich die Spule immer weiter dreht. Die Bewegung wiederum lässt sich nutzen, um Maschinen anzutreiben – wie bei einem Verbrennungsmotor auch.
Wo werden Elektromotoren eingesetzt?
Bei einem Elektromotor denkst du wahrscheinlich als erstes an Elektro- oder Hybrid-Autos. Daneben gibt es aber auch viele Maschinen, die von Elektromotoren angetrieben werden. Das geht von handlichen Geräten wie Akkubohrern oder Elektrosägen bis hin zu industriellen Maschinen. Laut der Deutschen Energieagentur (DENA) sind Maschinen, die mit Elektromotoren funktionieren, für 70 Prozent des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich.
In modernen Gebäuden steuern Elektromotoren zum Beispiel Fahrstühle, Markisen oder Rollläden.
Wie nachhaltig ist ein Elektromotor?
Ein Elektromotor funktioniert mit Strom – ohne dass Kraftstoffe verbrannt werden. Ist er deshalb umweltfreundlicher als ein Diesel- oder Benzin-Motor? Pauschal lässt sich das nicht sagen, denn die Nachhaltigkeit hängt von vielen Faktoren ab.
Wie nachhaltig ein Elektromotor ist, entscheiden unter anderem diese Punkte:
- Ist der Motor effizient? Laut der DENA kann ein hocheffizienter Elektromotor, der fast ohne Energieverluste funktioniert, 40 Prozent Strom gegenüber weniger effizienten Modellen einsparen. In der EU gibt es seit 2009 eine Richtlinie, die eine Mindesteffizienz für Elektromotoren vorschreibt. Energie geht in Elektromotoren zum Beispiel durch Reibung verloren, die zwischen der sich drehenden Spule und den Kontakten zur Batterie entsteht. Reibung erzeugt Wärme, die nicht mehr benutzt werden kann.
- Woher kommt der Strom für den Elektromotor? Das ist eine entscheidende Frage. Ist es Strom aus erneuerbaren Energien oder aus fossilen Brennstoffen? Letzteres verschlechtert die Ökobilanz eines Elektromotors erheblich.
Besonders viele Vergleiche zwischen Elektro- und Verbrennungsmotoren gibt es für Elektroautos. Das Bundesministerium für Umwelt (BMU) hat verschiedene Elektro-, Benzin- und Dieselautos getestet:
- Beim heutigen Strommix in Deutschland sparen E-Autos in ihrem gesamten Lebenszyklus auch gegenüber sparsamen Benzin- oder Dieselautos CO2 ein.
- Ein großer Vorteil von Elektroautos ist, dass sie keine schädlichen Gase und nur wenig Feinstaub an die Umgebung abgeben.
- Der Nachteil: Elektroautos sind (energie-)aufwändiger in der Fertigung – tatsächlich verursachen sie in ihrem gesamten Lebenszyklus mehr Feinstaub als andere Autos. Zudem werden mehr Rohstoffe benötigt, vor allem für die Batterie.
Elektromotor: Das Problem mit der Batterie
Die Herstellung der Batterie verursacht 30 Prozent der Klimabilanz eines Elektroautos. Der Abbau vieler Rohstoffe wie der benötigten seltenen Erden belastet vor Ort die Umwelt, weil dabei giftige Stoffe entstehen. Seltene Erden lassen sich bisher zudem nicht recyceln.
Ein weiterer umstrittener Stoff in den Batterien von Elektromotoren ist das Metall Kobalt. Der Haupt-Rohstofflieferant für Kobalt ist der Kongo. Dort fördern Menschen das Metall häufig unter prekären Arbeitsbedingungen.
Eine positive Nachricht ist jedoch, dass im Bereich der Batterien viel geforscht wird – das zeigt nicht zuletzt der Nobelpreis 2019 für Chemie. Er geht an drei Forscher, die maßgeblich an der Erfindung der Lithium-Ionen-Batterien beteiligt waren. Geforscht wird sowohl an effizienteren, langlebigeren und ressourcenschonenderen Batterien als auch am Recycling. Ökotest zufolge gibt es bereits erste Prototypen für Elektromotoren, die ohne seltene Erden funktionieren. Außerdem könne man inzwischen bis zu 90 Prozent der Metalle in Elektromotoren recyceln. Nicht nur für Umwelt und Klima ist diese Forschung wichtig: Viele der Rohstoffe werden knapp.
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