8. – 10. Schuljahr

Gunnar Friege

Schülerinnen und Schüler bauen und testen einen Elektromotor

Eigenschaften erkunden Fehler suchen, finden und beheben

Der Physik- und Technikunterricht kann durch eine Vielzahl an Elektromotoren im Bausatz für Schülerinnen und Schüler bereichert werden. Kandsperger und Wilhelm geben in [1] eine umfassende Übersicht an Motoren inklusive der Vor- und Nachteile an. Auch in Schulbüchern wie beispielsweise [2] finden sich Bauanleitungen für einen „einfachen Elektromotor mit geringem Werkzeug- und Materialeinsatz.
Bausatz
Ein Klassiker unter den Bausatz-Motoren ist der Eschke-Motor 1. Er wird seit mehr als 80 Jahren verkauft; ursprünglich im Pappkarton wird er nun in der Plastikbox geliefert und darauf montiert (s. Abb. 1 ). Der Bausatz beinhaltet eine ausführliche Anleitung und keinerlei vormontierte Teile (s. Abb. 2 ), auch die Spulen für den Stator und den Rotor müssen selbst gewickelt werden. Der Motor ist mit einem Preis unter 5 € kostengünstig und erfordert keine besonderen handwerklichen Fertigkeiten oder Werkzeuge2.
Der Eschke-Motor ist ein Allstrommotor (Universalmotor). Er kann also sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betrieben werden. Der Aufbau des Motors ist leicht einsehbar, sodass insbesondere die Funktionsweise des Stromwenders ersichtlich ist. Die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes des Stators und die Spule des rotierenden Läufers sind miteinander in einer elektrischen Reihenschaltung verbunden. Vor allem das konstante Magnetfeld des Stators und das wechselnde Magnetfeld des Rotors beim Betrieb mit Gleichstrom sowie die sich ändernden Magnetfelder von Stator und Rotor beim Betrieb mit Wechselstrom lassen sich anhand des Modells diskutieren. Unterstützt werden kann dies zudem durch Verwendung von Methodenwerkzeugen wie der Filmleiste [3].
Einsatz des Bausatzes im Unterricht
Der Zeitaufwand für die Konstruktion des Motors variiert stark zwischen einzelnen Schülerinnen und Schülern; Kandsperger und Wilhelm schätzen den Zeitbedarf auf etwa zwei Schulstunden ([1], S. 80), Kujat ([4], S. 41) gibt einen Mittelwert von 170 min bei Schülerinnen und Schüler der 8. Klasse an.
Bau des Motors
Der Motor muss jedoch gar nicht im Unterricht zusammengebaut werden, sondern der Zusammenbau kann nach Erfahrungen des Autors auch als Haus- oder Wochenaufgabe aufgetragen werden. Der Aufforderungscharakter des Bausatzes ist so hoch, dass diese Aufgabe nur in seltenen Fällen nicht erledigt wird.
Der Bau des Motors lässt sich in folgende Teilschritte gliedern, die in der Anleitung des Motors [1] für Schülerinnen und Schüler ausführlich beschrieben sind.
a) Konstruktion des Stators: Wickeln der Statorspule auf den Spulkörper und Befestigung von Statorspule und Statorpolschuhen auf der Grundplatte.b) Konstruktion des Rotors: Wickeln der Rotorspule auf den Spulkörper.
c) Konstruktion der Stromwendereinheit: Kupferstifte am Stromwender befestigen, Rotorachsen durch den Stromwender hindurchführen, die Rotorspulanschlüsse mit den Kupferstiften leitend verbinden.
d) Mechanische und elektrische „Endmontage: Halterungen für die Rotorachse und Schleifkontakte mit Lötfahnen auf der Grundplatte anschrauben, Stromwender mit Rotorachse einsetzen, einen Schleifkontakt mit einem Kontakt der Statorspule verbinden, den anderen Schleifkontakt und den zweiten Anschluss der Statorspule an eine 4,5-V-Batterie anschließen.
Die Einführung in das Thema Elektromotore im Unterricht ist jedoch der Bauphase voranzustellen, damit nicht „blindlings eine Anleitung abgearbeitet wird.
Test der Selbstbau-Motoren und Fehlersuche
Die Inbetriebnahme des Motors sollte unbedingt im Unterricht geschehen. Hier zeigt sich erfahrungsgemäß, dass anfänglich viele Motoren nicht laufen, oft ist es sogar die Mehrzahl. Die 4,5-V-Batterie sollte daher auch erst nach der Bauphase im Unterricht ausgeteilt werden, da die Versuchung eines Motortests zu Hause zu groß ist und dann eine gemeinsame Fehlersuchstunde im...

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