Spulenmotor mit Batterie

Was das Kind lernt

• Dass auf einen stromdurchflossenen Draht in einem Magnetfeld eine Kraft wirkt (Lorentzkraft) und dass sich eine Spule wie ein Magnet verhält.
• Warum ein Motor einen Kommutator braucht: Wird der Strom nicht für eine halbe Umdrehung unterbrochen, bleibt die Spule zum Magneten ausgerichtet stehen.
• Dass Umdrehen des Magneten (oder der Batterie) die Drehrichtung umkehrt.
• Dass Gleichgewicht und Reibung bei einer echten Maschine genauso wichtig sind wie die Elektrizität.
• Dass ein Kurzschluss die Batterie leert und erhitzt: Deshalb läuft der Motor nur kurz.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen bei 100 % aus und prüfe mit dem Lineal, dass Vorlage C 110 mm lang ist.
• Prüfe, ob die Büroklammern blankes Metall sind: Reib eine mit Schleifpapier; kommt Kunststoff zum Vorschein, taugen sie nicht.
• Halte eine neue Batterie und eine Reserve bereit: Mit leeren Batterien läuft die Spule nicht an.
• Sind die Kinder jünger als 9 Jahre, schneide du den Draht (90 cm) ab und biege die Büroklammern vor der Einheit mit der Biegeschablone.
• Halte ein Handy mit Zeitlupe bereit, um beim Test die Umdrehungen zu zählen.

Materialien und Werkzeuge

• Kupferlackdraht — 90 cm (+ 2 m Reserve für die Experimente) kaufen
  Ø 0,5–0,6 mm (AWG 22–24), Polyurethanlack (rötlich oder durchsichtig)
• Scheibenförmiger Neodym-Magnet — 1 (besser 2–3 für die Experimente) kaufen
  Ø 12–20 mm × 3–5 mm, N35 oder stärker
• AA-Batterie — 1 (und eine als Reserve)
  neue Alkalibatterie, 1,5 V
• Große Büroklammern aus Metall — 2
  50 mm, verzinkter Stahl OHNE Kunststoffüberzug
• Gummiband — 1
  Büro-Gummiband, das sich straff längs um die Batterie legen lässt (≈ Ø 40 mm ungedehnt)
• Klebeband — 20 cm
  Packband oder Isolierband
• Feines Schleifpapier — 1 Stück, 5 × 5 cm
  Körnung 150–240
• Wellpappe — 1 Stück, 10 × 7 cm
  3 mm, aus einem Versandkarton
• Schwarzer Permanentmarker — 1
  feine Spitze

Werkzeuge

• Spitzzange — Büroklammern biegen und die Drahtenden der Spule gerade richten Erwachsene
• Seitenschneider oder alte Schere — den Kupferdraht abschneiden
• Lineal — Draht, Drahtenden und Höhe messen
• Wäscheklammer oder Knetkugel — die Spule aufrecht halten, während das halbe Drahtende geschliffen wird
• Schere — Kartonsockel und Vorlagen ausschneiden

Teile und Vorlagen

• A · Sockel ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Batterieleisten ×2 — Wellpappe 3 mm
• C · Prüfvorlage für die Spule ×1 — Papier
• D · Biegeschablone für die Büroklammern ×1 — Papier
• E · Spulendraht ×1 — Kupferlackdraht Ø 0,5–0,6 mm

Schritt für Schritt

1. Bereite den Sockel vor

   Schneide den Sockel A (100 × 50 mm) und die beiden Leisten B (50 × 8 mm) aus. Klebe jede Leiste mit Kleber oder doppelseitigem Klebeband direkt außen an die markierten Linien, sodass zwischen ihnen eine 15 mm breite Rinne bleibt.

   Prüfe: Die liegende AA-Batterie passt in die Rinne und rollt nicht weg, wenn du sie seitlich anstößt.

2. Schneide den Draht ab

   Miss 90 cm Lackdraht ab und schneide ihn ab. Zieh ihn ein paarmal zwischen zwei Fingern durch, um ihn gerade zu richten, ohne ihn zu knicken.

3. Wickle 15 Windungen

   Lass am Anfang 5 cm frei und wickle den Draht fest um die AA-Batterie, 15 Windungen dicht nebeneinander. Am Ende bleiben etwa 15 cm übrig.

   Tipp: Drück den Anfang mit dem Daumen an die Batterie, damit er sich beim Wickeln nicht löst.

4. Zieh die Spule ab und binde sie

   Schieb die Spule von der Batterie. Wickle das kurze Ende 3-mal fest um das Drahtbündel und lass das Ende gerade nach außen ragen. Mach dasselbe mit dem langen Ende genau auf der gegenüberliegenden Seite der Spule.

   Prüfe: Die Spule löst sich beim Schütteln nicht auf und die beiden Drahtenden ragen auf gegenüberliegenden Seiten heraus.

5. Kürze und richte die Drahtenden aus Erwachsene

   Kürze beide Drahtenden so, dass jedes vom Spulenrand aus 35 mm lang ist. Leg die Spule auf Vorlage C und richte die Drahtenden mit der Zange, bis beide auf der Mittellinie liegen.

   Prüfe: Drehst du die Spule an den Drahtenden zwischen zwei Fingern, läuft sie rund wie ein Rad, ohne zu eiern.

6. Schleife ein Drahtende ganz ab

   Schleife eines der Drahtenden auf den letzten 30 mm (von der Markierung bis zum Ende) rundherum ab, indem du es im gefalteten Schleifpapier drehst. Es muss glänzend kupferfarben sein, ohne rötliche Reste.

   Prüfe: Halte das Drahtende ins Licht: Es glänzt rundherum gleich.

7. Schleife ein halbes Drahtende bei stehender Spule Erwachsene

   Stell die Spule aufrecht hin (wie ein Rad), gehalten von einer Wäscheklammer oder Knete, die Drahtenden waagerecht. Schleife NUR die obere Hälfte des anderen Drahtendes auf den letzten 30 mm, immer nur in eine Richtung. Die untere Hälfte muss ihren Lack behalten.

   Prüfe: Von der Seite gesehen hat das Drahtende oben einen Kupferstreifen und unten Lack.
   Tipp: Rutscht dir das Schleifpapier ab, schleife das ganze Ende ab und mal danach bei gleicher Spulenstellung die untere Hälfte mit Permanentmarker an: Die Tinte isoliert auch.

8. Biege die Büroklammern Erwachsene

   Biege jede Büroklammer gerade und dann auf der Biegeschablone D: einen 16 mm langen Fuß, ein 22 mm langes senkrechtes Stück (vom Knick bis zur Ösenmitte) und oben eine geschlossene Öse mit Ø 3 mm (wickle sie um einen Nagel oder eine Bleistiftspitze).

   Prüfe: Beide Büroklammern sind gleich: Stell sie nebeneinander, die Ösen sind auf gleicher Höhe.

9. Befestige die Büroklammern an den Polen

   Leg den Fuß einer Büroklammer auf den Pluspol und den der anderen auf den Minuspol: den Knick genau in die Polmitte, den Fuß waagerecht nach hinten (beide zur selben Seite), das senkrechte Stück und die Öse nach oben. Leg das Gummiband längs um die Batterie über beide Füße, um sie ans Metall zu drücken, und sichere außen mit Klebeband.

   Prüfe: Das Metall der Büroklammer berührt das Metall des Pols (das Klebeband liegt nie darunter). Von oben gesehen stehen beide senkrechten Stücke auf der Mittellinie der Batterie und die Ösen liegen sich auf gleicher Höhe gegenüber.

10. Setz Batterie und Magnet ein

    Leg die Batterie mit den Büroklammern nach oben in die Rinne des Sockels. Setz den Neodym-Magneten auf die Mitte der Batterie: Er haftet von allein am Stahlmantel.

11. Stell die Höhe ein

    Steck die Drahtenden der Spule in die Ösen. Wenn du die Spule von Hand drehst, muss sie 1 bis 3 mm über dem Magneten vorbeilaufen. Streift sie, heb die Ösen etwas an; ist sie mehr als 5 mm entfernt, senk sie ab oder leg einen zweiten Magneten auf den ersten.

    Prüfe: Dreh die Spule mit dem Finger an: Sie macht mindestens 3 Umdrehungen von allein, ohne den Magneten zu berühren.

12. Starte den Motor

    Gib der Spule mit dem Finger einen leichten Schubs. Dreht sie sich nicht weiter, schubs sie in die andere Richtung. Wenn sie anläuft, beschleunigt sie in 1–2 Sekunden und dreht sich von allein.

    Tipp: Schaukelt sie nur hin und her, dreh das halb geschliffene Drahtende in der Öse um 180° oder schleife es bei stehender Spule neu (Schritt 7).

13. Feinjustierung Erwachsene

    Springt die Spule aus den Ösen oder vibriert stark, richte die Drahtenden auf Vorlage C gerade und schließ die Ösen mit der Zange etwas enger. Eine gut ausgewuchtete Spule dreht sich schneller und leiser.

14. Ausschalten, wenn du fertig bist

    Nimm die Spule nach jedem Test aus den Ösen (höchstens 1–2 Minuten am Stück). Fass die Batterie an: Ist sie lauwarm, lass sie 5 Minuten ruhen.

    Prüfe: Ohne Spule fließt kein Strom und die Batterie wird nicht mehr warm.

Funktioniert es? Der Test

Starte die Spule mit neuer Batterie und film sie 10 Sekunden mit der Zeitlupe des Handys. Klebe vorher ein Stückchen farbiges Klebeband an den Spulenrand, damit du die Umdrehungen zählen kannst.

Was passieren soll: Die Spule dreht sich allein und gleichmäßig, meist 5 bis 20 Umdrehungen pro Sekunde (300–1200 U/min), immer in dieselbe Richtung. Drehst du den Magneten um, dreht sie sich andersherum.

Wenn etwas nicht klappt

• Nichts passiert, auch nicht mit Schubs — Kein Strom: Lack nicht entfernt, Büroklammern mit Kunststoffüberzug oder Klebeband zwischen Büroklammer und Pol. Lösung: Schleife die Kontaktstellen erneut, nimm Büroklammern aus blankem Metall und prüfe, ob der Fuß der Büroklammer den Pol direkt berührt. Probier eine neue Batterie.
• Sie schaukelt hin und her, dreht sich aber nicht — Das halbe Drahtende wurde bei liegender Spule geschliffen: Der Strom fließt, wenn die Spule schon zum Magneten zeigt. Lösung: Dreh das halb geschliffene Ende in der Öse um eine halbe Umdrehung oder schleife es bei stehender Spule neu (alles abschleifen und die andere Hälfte mit Marker anmalen).
• Sie dreht ein paar Runden und bleibt immer in derselben Stellung stehen — Unwuchtige Spule: Die schwere Seite landet immer unten. Lösung: Richte die Drahtenden auf Vorlage C, damit sie auf einer Achse liegen und durch die Spulenmitte gehen; drück lose Windungen fest.
• Die Batterie wird sehr heiß — Beide Drahtenden sind ganz abgeschliffen: Es besteht ein Dauerkurzschluss. Lösung: Nimm die Spule heraus, lass die Batterie abkühlen und mal die Hälfte eines Drahtendes mit Permanentmarker an.
• Die Spule springt aus den Büroklammern — Ösen zu weit offen oder Spule außermittig, sodass sie vibriert. Lösung: Schließ die Ösen auf Ø 2–3 mm und wuchte die Spule aus: Richte die Drahtenden auf Vorlage C, bis beide auf derselben Linie liegen, damit sie ohne Vibration läuft.
• Sie dreht sich sehr langsam oder läuft schwer an — Magnet zu weit weg oder zu schwach, Batterie leer oder Reibung in den Ösen. Lösung: Bring die Spule auf 1–2 mm an den Magneten oder staple 2 Magnete; wechsle die Batterie; säubere die Ösen mit Schleifpapier.

Sicherheit

• Neodym-Magnete sind gefährlich, wenn sie verschluckt werden (sie können sich durch die Darmwand hindurch anziehen): außer Reichweite von Kindern unter 6 Jahren und Haustieren aufbewahren; beim Wegräumen die Magnete zählen.
• Halte Neodym-Magnete von Handys, Karten, Herzschrittmachern und Uhren fern. Zum Trennen schiebst du sie auseinander: Wenn sie zusammenprallen, können sie Finger einklemmen oder splittern.
• Der Stromkreis ist fast ein Kurzschluss: Batterie, Büroklammern und Draht werden warm. Höchstens 1–2 Minuten am Stück und danach die Spule herausnehmen. Verwende nie Lithium-Knopfzellen oder Handy-Akkus.
• Die Enden von Draht und Büroklammern sind spitz: Schneide sie mit der Zange zum Tisch hin ab und trag eine Schutzbrille, wenn du nahe am Gesicht schneidest.
• Wasch dir nach dem Abschleifen des Lacks die Hände.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wenn Strom durch einen aufgewickelten Draht fließt, wird der Draht zu einem Magneten – wie ein unsichtbarer Magnet in Form eines Rads. Der Magnet darunter drückt und zieht an diesem Rad und bringt es zum Drehen. Wäre der Strom aber immer an, würde das Rad zum Magneten ausgerichtet stehen bleiben, so wie ein Kompass, der nach Norden zeigt. Deshalb schleifen wir nur ein halbes Drahtende ab: Der Strom geht eine halbe Umdrehung an und die andere halbe aus, und in dieser halben Umdrehung dreht sich das Rad durch den Schwung weiter – wie eine Schaukel, die du nur im richtigen Moment anschubst.

Für Erwachsene

Eine Leiterschleife, durch die ein Strom I fließt, hat ein magnetisches Moment μ = N·I·A senkrecht zu ihrer Ebene (hier N = 15, A ≈ 2 cm²). Im Feld B des Magneten (≈ 0,1–0,3 T in 2 mm Abstand von einer Neodym-Scheibe) wirkt ein Drehmoment τ = μ × B, das μ an B auszurichten sucht, also die Spule flach legen will. Die Spule dreht sich um die Achse ihrer Drahtenden, die in ihrer Ebene liegt; das Drehmoment ist maximal, wenn die Spule aufrecht steht (μ waagerecht), und null, wenn sie flach liegt. Flösse der Strom ständig, würde die Spule um die Gleichgewichtslage pendeln. Das halb abgeschliffene Drahtende wirkt als Kommutator: Kontakt besteht nur während der halben Umdrehung, in der das Drehmoment in Drehrichtung wirkt (zentriert um die senkrechte Spulenstellung), und ist in der anderen Hälfte unterbrochen, die die Spule durch Trägheit durchläuft. Deshalb muss bei stehender Spule geschliffen werden: Schleift man sie liegend, liegt der Kontakt um die Gleichgewichtslage herum und das Drehmoment hebt sich im Mittel auf. Handelsübliche Motoren lösen dasselbe mit einem Lamellenkommutator und Bürsten, die den Strom umpolen statt ihn zu unterbrechen. Der Widerstand der Spule ist klein (90 cm Kupfer mit 0,5 mm ≈ 0,08 Ω), daher begrenzen der Innenwiderstand der Batterie und die Kontakte den Strom: 2–4 A in den Pulsen, was die Batterie erwärmt und in Minuten leert. Umdrehen des Magneten kehrt B um und damit die Richtung des Drehmoments.

• Spule: in Windungen aufgewickelter Draht, der sich mit Strom wie ein Magnet verhält.
• Lack: dünne Schicht, die den Draht isoliert, damit der Strom nicht zwischen den Windungen überspringt.
• Kommutator: Teil des Motors, das den Strom bei jeder Umdrehung im richtigen Moment unterbricht oder umpolt.
• Magnetfeld: Bereich um einen Magneten, in dem seine Kräfte spürbar sind.
• Trägheit: Neigung eines sich drehenden Gegenstands, sich weiterzudrehen.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Zu heikel, um es allein zu machen. Der Erwachsene bereitet die geschliffene Spule und die Büroklammern vor; das Kind setzt den Magneten auf, legt die Spule ein, startet sie und probiert aus, den Magneten umzudrehen. Konzentriere dich auf „Der Strom macht aus dem Draht einen Magneten“.
• 8–10 Jahre: Sie wickeln die Spule, schleifen das ganze Drahtende ab und bauen die Büroklammern mit der Biegeschablone. Der Erwachsene beaufsichtigt das halbe Drahtende und das Biegen der Ösen. Lass sie selbst herausfinden, was passiert, wenn die Spule schief ist.
• 11–12 Jahre: Kompletter Aufbau in Eigenregie. Challenge: mit Zeitlupe die Umdrehungen pro Sekunde messen, eine Tabelle Windungszahl gegen Geschwindigkeit anlegen und mit einer Zeichnung erklären, warum bei stehender Spule geschliffen werden muss.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, ein Motor pro Paar (≈ 2 € für Draht und Magnet pro Motor, die Magnete werden wiederverwendet). Vorher: pro Paar 90 cm Draht abschneiden und 2 Büroklammern vorbereiten, 10 Ersatzbatterien bereithalten. Einheit von 60 min: 10 min Vorführung mit einem fertigen, laufenden Motor, 35 min Bauen, 15 min Tests und das Experiment mit dem umgedrehten Magneten. Richte eine „Reparaturstation“ mit Zange, Schleifpapier und Vorlage C ein, an der ein Erwachsener beim Auswuchten der Spulen hilft. Sammle am Ende die Magnete ein und zähl sie.

Challenges

• Bau einen Motor, dessen Spule um einen dicken Filzstift (Ø 20 mm) gewickelt ist. Brauchst du mehr oder weniger Windungen?
• Bau einen Motor, der sich 1 Minute am Stück dreht, ohne stehen zu bleiben oder herauszuspringen.
• Klebe ein Papierfähnchen von 2 × 1 cm an die Spule: Dreht sie sich noch? Wie viel Gewicht verträgt sie, bevor sie stehen bleibt?
• Entwirf eine Halterung, in der die Batterie aufrecht steht und die Spule sich waagerecht über dem Magneten dreht.

Weitere kostenlose Projekte

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

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