Bürstenloser Batterie-Magnet-Motor

Was das Kind lernt

• Dass auf einen elektrischen Strom in einem Magnetfeld eine Kraft wirkt (Lorentzkraft) und dass das die Grundlage aller Motoren ist.
• Dass der Stromkreis geschlossen sein muss: Batterie (+) → Draht → Magnet (leitend) → Batterie (−).
• Dass die Drehrichtung von der Stromrichtung und der Ausrichtung des Magneten abhängt (Magnet umdrehen kehrt die Drehung um).
• Dass bei einem Kurzschluss viel Strom fließt und in Wärme umgewandelt wird: Deshalb wird es heiß und man darf es nur kurz laufen lassen.
• Dass Gleichgewicht und Symmetrie die Reibung verringern und eine kleine Kraft ein Teil bewegen kann.

Vorher vorbereiten

• Prüfe, ob der Magnet ein vernickelter Neodym-Magnet ist (glänzend silbern): Diese Beschichtung leitet Strom. Schwarze oder mattgraue Magnete (Ferrit) leiten nicht und funktionieren nicht.
• Drucke Vorlage A bei 100 % aus und klebe sie auf Fotokarton. Prüfe, ob das Herz 48 mm breit ist.
• Schneide 30 cm Draht ab und zieh ihn zum Geradebiegen durch die Finger. Ist es Lackdraht, schleife 1 cm an jedem Ende und 5 mm in der Mitte ab.
• Halte den Magneten von Handys, Karten, Uhren und anderen Magneten fern; hast du mehrere, trenne sie mit einem Stück Karton.
• Erkläre vorher die Sicherheitsregel: Das Herz wird abgenommen, sobald die Batterie warm wird, und nie länger als 15 s am Stück.

Materialien und Werkzeuge

• Neue Alkali-AA-Batterie — 1 (besser 2)
  1,5 V, Alkali; KEIN NiMH-Akku und keine Lithiumbatterie (liefern zu viel Strom und werden heißer)
• Neodym-Scheibenmagnet — 1 kaufen
  Ø 18–20 mm × 3–5 mm, vernickelt (glänzend silbern), N35 oder stärker
• Blanker Kupferdraht — 30 cm (kauf 1 m zum Ausprobieren) kaufen
  Ø 0,8–1,2 mm, ohne Lack oder Kunststoff
• Fotokarton — 1 Stück 8 × 10 cm
  für die Biegevorlage (A)
• Feines Schleifpapier — 1 Stück 3 × 3 cm
  Körnung 180–240, zum Säubern der Drahtenden

Werkzeuge

• Spitzzange — das Herz und das Auflage-„V“ biegen
• Seitenschneider — 30 cm Draht abschneiden und die Enden kürzen Erwachsene
• Filzstift — die Drahtmitte markieren (15 cm)
• Stoppuhr — Durchgänge von 10–15 s einhalten und Umdrehungen messen

Teile und Vorlagen

• A · Biegevorlage für das Herz ×1 — Fotokarton
• B · Blanker Kupferdraht ×1 — Kupferdraht Ø 1 mm

Schritt für Schritt

1. Prüfe Batterie und Magnet

   Nimm eine neue Alkali-AA-Batterie (1,5 V) und einen silbernen Neodym-Magneten mit Ø 18–20 mm. Halte den Magneten an den Minuspol (die flache Seite) und lass ihn hinspringen, sodass er mittig unter der Batterie haftet.

   Prüfe: Der Magnet ragt rundherum 2–3 mm über die Batterie hinaus. Ist er schmaler als die Batterie, funktioniert es nicht.
   Tipp: Halte den Magneten beim Annähern gut fest: Er springt und kann dich einklemmen.

2. Stell die Batterie auf

   Stell die Batterie aufrecht auf den Tisch, auf den Magneten gestützt, mit dem Pluspol (dem kleinen Knopf) oben. Hat der Tisch Metallteile, stell sie auf ein Stück Karton, damit der Magnet nicht verrutscht.

3. Draht abschneiden und markieren Erwachsene

   Schneide 30 cm blanken Kupferdraht mit 1 mm ab und biege ihn gerade. Markiere die Mitte bei 15 cm mit Filzstift. Ist es Lackdraht, schleife 1 cm an jedem Ende und 5 mm in der Mitte gut ab, bis es glänzt.

4. Biege das Auflage-V

   Fass den Draht mit der Spitzzange genau an der Mittelmarkierung und biege eine kleine Spitze nach unten, etwa 3 mm tief. Biege dann beide Arme nach oben, dicht beieinander: Sie gehen von der Spitze fast senkrecht los, wie die braune Linie auf Vorlage A. Diese Spitze (das V) ist das Einzige, was den Pluspol berührt.

   Prüfe: Leg das V auf den roten Punkt der Vorlage: Die Spitze zeigt nach unten, und beide Arme gehen zusammen nach oben, am Anfang fast senkrecht, wie der Anfang der braunen Linie.

5. Biege die Bögen

   Biege nach Vorlage A jeden Arm nach oben und außen zu den beiden Bögen des Herzens (der höchste Punkt liegt 22 mm über dem V) und führe sie nach unten, bis sie 24 mm von der Mitte entfernt senkrecht stehen.

   Tipp: Biege beide Seiten gleichzeitig, mit jeder Hand eine, und vergleiche: Symmetrie ist das Wichtigste.

6. Biege die Seiten und die Enden Erwachsene

   Führe jede Seite 46 mm gerade nach unten, parallel zur Batterie. Auf Höhe des Magneten biegst du die Enden nach innen, bis sie 11 mm von der Mitte entfernt sind (1 mm außerhalb des Magnetrands). Der Erwachsene schneidet mit dem Seitenschneider ab, was an jedem Ende übersteht.

   Prüfe: Leg das Herz auf die Vorlage: Es folgt überall der braunen Linie, und beide Seiten sind gleich.

7. Prüfe das Gleichgewicht

   Setz das V auf die Spitze eines aufrecht stehenden Bleistifts. Das Herz muss gerade bleiben, ohne zu einer Seite zu kippen. Kippt es, biege die sinkende Seite etwas zu oder die andere 1–2 mm auf.

   Prüfe: Im Gleichgewicht auf dem Bleistift sind beide Enden auf gleicher Höhe.

8. Setz das Herz auf

   Setz das V mittig auf den Pluspol der Batterie. Die beiden unteren Enden müssen auf Höhe des Magneten sein und ihn seitlich nur leicht streifen (drücken sie, bremsen sie; berühren sie nicht, gibt es keinen Stromkreis).

   Prüfe: Schau von oben: Das Herz sitzt mittig, und die Enden berühren den Batteriekörper nicht.

9. Loslassen und beobachten

   Lass das Herz sanft los. Nach 1–2 Sekunden beginnt es, sich um die Batterie zu drehen, immer schneller, bis zu mehreren Umdrehungen pro Sekunde. Lass es höchstens 10–15 Sekunden drehen und nimm es ab.

   Tipp: Ruckelt es statt sich zu drehen, berührt ein Ende stärker als das andere: Biege es 0,5 mm auf.

10. Zwischen den Durchgängen abkühlen lassen Erwachsene

    Nimm das Herz nach jedem Durchgang von 10–15 s ab und warte 30 Sekunden. Fühl die Batterie: Ist sie mehr als lauwarm, warte länger. So hält die Batterie viel länger und niemand verbrennt sich.

11. Kehre die Drehung um

    Nimm das Herz ab, löse den Magneten, dreh ihn um und setz ihn wieder unter die Batterie. Setz das Herz wieder auf: Jetzt dreht es sich andersherum.

    Prüfe: Notiere die Richtung (im Uhrzeigersinn oder gegen) vorher und nachher.

12. Bewahre alles getrennt auf

    Trenne am Ende immer Draht und Magnet von der Batterie. Bewahre den Magneten in einer kleinen Schachtel auf, fern von anderen Magneten und kleinen Kindern, und die Batterie in ihrer Packung.

Funktioniert es? Der Test

Mit neuer Alkalibatterie, Magnet mit Ø 20 mm und dem Herz nach Vorlage: Lass den Draht los und zähle 10 s lang die Umdrehungen.

Was passieren soll: Es läuft nach 1–2 s an und erreicht 3–10 Umdrehungen pro Sekunde. Nach 15–20 s ist die Batterie spürbar lauwarm. Mit umgedrehtem Magneten dreht es andersherum.

Wenn etwas nicht klappt

• Es dreht sich gar nicht und ruckelt auch nicht — Kein Stromkreis: lackierter Draht, Ferritmagnet (schwarz) oder die Enden berühren den Magneten nicht. Lösung: Schleife Enden und Mitte ab, nimm einen vernickelten Neodym-Magneten und biege die Enden heran, bis sie den Magneten streifen.
• Es ruckelt und bleibt stehen — Die Enden drücken zu fest gegen den Magneten oder das Herz ist unausgeglichen. Lösung: Biege die Enden 0,5–1 mm auf und prüfe das Gleichgewicht auf einer Bleistiftspitze.
• Das Herz fällt von der Batterie — Das V sitzt nicht mittig oder hat keine V-Form. Lösung: Biege das V neu, genau in der Drahtmitte, mit der Spitze nach unten, und setz es mittig auf den Plusknopf.
• Es dreht sich sehr langsam — Batterie leer oder heiß, oder schwacher Magnet. Lösung: Abkühlen lassen, neue Batterie einsetzen oder einen dickeren Magneten (5 mm) nehmen.
• Die Enden kleben am Magneten — Der Draht ist nicht aus Kupfer (verkupfertes Eisen oder Stahl). Lösung: Teste mit dem Magneten: Echtes Kupfer haftet nicht. Nimm anderen Draht.
• Die Batterie wird sofort sehr heiß — Akku oder Lithiumbatterie, oder Enden mit dauerhaftem, festem Kontakt. Lösung: Nimm eine Alkalibatterie, Enden, die nur streifen, und Durchgänge von 10 s.

Sicherheit

• Der Stromkreis ist ein Kurzschluss: Batterie und Draht werden in 15–20 s heiß. Durchgänge von 10–15 s und 30 s Pause. Lass es nie unbeaufsichtigt aufgebaut und bewahre es nie mit aufgesetztem Draht auf.
• Nur Alkali-AA-Batterien verwenden. Nie Akkus, Lithiumbatterien oder 9-V-Batterien: Sie liefern mehr Strom und können so heiß werden, dass sie brennen oder auslaufen.
• Neodym-Magnete klemmen die Haut ein und zersplittern, wenn sie aneinanderstoßen. Nähere sie langsam und halte sie gut fest.
• Verschluckt ein Kind zwei Magnete (oder einen Magneten und ein Eisenteil), können sie sich durch die Darmwand hindurch verbinden: ein medizinischer Notfall. Halte Magnete von Kindern unter 6 Jahren fern.
• Halte den Magneten von Handys, Karten, Uhren, Computern und Herzschrittmachern fern (mindestens 15 cm).
• Abgeschnittene Drahtenden pieksen: Biege sie nach innen oder runde sie mit Schleifpapier ab.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Die Batterie drückt Strom durch den Kupferdraht, der vom Knopf oben bis zum Magneten unten läuft. Um den Magneten herum gibt es eine unsichtbare Kraft, das Magnetfeld. Wenn der Strom direkt neben dem Magneten durch den Draht fließt, gibt der Magnet ihm einen kleinen Schubs zur Seite, immer in dieselbe Richtung. Weil der Draht nur auf einem Punkt steht, wie ein Kreisel, bringt ihn dieser Schubs dazu, sich immer weiter zu drehen. Drehst du den Magneten um, geht der Schubs in die andere Richtung, und das Herz dreht sich andersherum.

Für Erwachsene

Es ist ein Homopolarmotor (oder Faraday-Motor): Er braucht keinen Kommutator, weil der Strom seine Richtung gegenüber dem Feld nie ändert. Der Strom verlässt den Pluspol (1,5 V), läuft durch beide Drahtarme nach unten, tritt seitlich in den vernickelten Magneten ein, durchquert ihn radial zur Mitte und kehrt zum Minuspol zurück. Neben dem Magneten hat das Magnetfeld eine starke axiale und radiale Komponente (≈ 0,1–0,3 T am Rand einer N35-Scheibe); auf die Stromabschnitte, die nicht parallel zu B sind, wirkt die Lorentzkraft F = I·L × B, senkrecht zu beiden, also tangential: Sie erzeugt ein Drehmoment um die Batterieachse. Da der Stromkreis kaum Widerstand hat (1-mm-Draht, 24 cm ≈ 5 mΩ), wird der Strom durch den Innenwiderstand der Alkalibatterie begrenzt (≈ 0,15–0,3 Ω): 2–5 A, die 2–5 W als Wärme abgeben (deshalb wird es heiß, und die Batterie ist nach wenigen Minuten Gesamtlaufzeit leer). Mit I ≈ 3 A, B ≈ 0,2 T und ≈ 1 cm wirksamem Abschnitt pro Seite ist F ≈ 6 mN, genug für einen Draht von ≈ 2 g, der mit minimaler Reibung auf einem Punkt sitzt. Symmetrie ist wichtig, weil die V-Auflage ein instabiler Drehpunkt ist: Jede Unwucht erhöht die Reibung an den Enden. Den Magneten umzudrehen kehrt B und damit die Richtung des Drehmoments um.

• Magnetfeld: Bereich um einen Magneten, in dem seine Kraft wirkt.
• Lorentzkraft: der Schubs, den ein elektrischer Strom in einem Magnetfeld bekommt.
• geschlossener Stromkreis: Weg ohne Unterbrechung, auf dem der Strom aus der Batterie heraus und wieder zu ihr zurück fließt.
• Kurzschluss: Stromkreis ohne etwas, das den Strom bremst; es fließt viel und erzeugt Wärme.
• Drehpunkt: Auflagepunkt, um den sich ein Teil dreht.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Nicht zum Selbstbauen empfohlen (Neodym-Magnet und Hitze). Der Erwachsene baut es auf, das Kind beobachtet und sagt voraus, in welche Richtung es sich nach dem Umdrehen des Magneten dreht.
• 8–10 Jahre: Der Erwachsene schneidet den Draht und passt auf den Magneten auf (mit 8 Jahren biegt er auch das Herz); ab 9 biegt das Kind es auf der Vorlage, balanciert es aus und testet es in Durchgängen von 10 s.
• 11–12 Jahre: Selbstständiger Aufbau. Challenge: den Weg des Stroms und die Richtung der Kraft zeichnen (Linke-Hand-Regel) und eine eigene Drahtform entwerfen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Zu zweit, ein Set pro Paar: 1 Alkali-AA-Batterie (+1 als Reserve für je 4 Paare), 1 Magnet Ø 20 mm, 30 cm Draht und die Vorlage. Vor der Einheit: Draht abschneiden, bei Lackdraht abschleifen und die Magnete prüfen. Einheit von 50 min: 10 min Vorführung und Regeln (Durchgänge von 10 s, Magnete getrennt halten), 30 min Biegen und Einstellen, 10 min Wettbewerb um die meisten Umdrehungen in 10 s. Sammle die Magnete am Ende ein und zähle sie dabei.

Challenges

• Entwirf eine Drahtform, die sich mehr als 10-mal pro Sekunde dreht.
• Mach eine Figur (Stern, Tänzerin, Spirale), die sich stabil weiterdreht.
• Baue zwei Motoren mit unterschiedlich ausgerichtetem Magneten und lass sie gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen drehen.
• Recherchiere den „Homopolar-Zug“: eine Batterie mit Magneten an beiden Enden in einer Spule aus blankem Draht.

Weitere kostenlose Projekte

• Schwebende Büroklammer am Magneten
• Schwimmkompass mit Nadel
• Elektromagnet mit Schalter
• Batterie-Magnet-Zug
• Spulenmotor mit Batterie

Alle Projekte ansehen