Nachhilfe Hamburg: Energiesparende Stadtautos dank Elektroantrieb

Die Situation, bei der eher kleinere, in die Kategorie „Stadtauto“ einzuordnende PKWs an der Kreuzung einen Bilderbuchstart hinlegen, können wir immer häufiger auch in Hamburg mit Staunen beobachten.

Bevor die mitstartenden Automobile – seien es nun solche in der mittleren oder oberen Leistungsklasse mit ihren Diesel – oder Ottomotoren nach emsigem Hochschalten ihrer automatischen oder handgeschalteten Getriebe ausreichend Beschleunigungsdrehmoment aufbringen, ist der Kleine mit seinem Elektromotor schon außer Sichtweite. Er braucht kein Getriebe dank „Lorentzkraft und Vektorprodukt„, zwei Begriffe, die unseren lernenden Oberstuflern in Hamburg die Frage entlocken mag: „Wozu denn das nun wieder?“

Der Nachweis der Lorentzkraft ist ein beliebtes Experiment im Physikunterricht auch an Hamburger Schulen: Die wesentliche Voraussetzung ist das Vorhandensein eines Magnetfeldes.

Dabei spielt es keine Rolle, ob dieses durch einen Dauermagneten oder durch eine Strom durchflossene Spule erzeugt wird.

Bringt man in dieses Magnetfeld einen Strom führenden Leiter, so wirkt auf diesen eine Kraft. Diese Kraft steigt mit zunehmendem Strom in dem Leiter, mit dessen Länge und mit wachsendem Magnetfeld. Und was die Nutzanwendung dieser Kraftwirkung so attraktiv macht: Diese so genannte „Lorentzkraft“ ist von der Winkellage des Leiters zum Verlauf des Magnetfeldes in folgender Weise abhängig: Verlaufen der Leiter und die Ausrichtung des Magnetfeldes parallel, so ist die Kraft Null, sind beide Wirkungsrichtungen zu einander senkrecht, so ist die Kraftwirkung maximal. Und noch eine spannende Eigenschaft hat die Lorentzkraft: Sie steht senkrecht sowohl auf dem Leiter und als auch auf der Richtung des Magnetfeldes. (Wir erinnern uns: Die bekannte „Drei–Finger Regel“).

In diesem Experiment werden uns sehr anschaulich die geschilderten physikalischen Zusammenhänge und der Nutzen des aus dem Matheunterricht bekannten Vektorproduktes vor Augen geführt. Die Lorentzkraft ist nämlich im Wesentlichen das Vektorprodukt aus Stromfluss und Magnetfeld nach Größe und Wirkungsrichtung.

Das ist schlicht und ergreifend die Grundlage für die Funktionsweise des Elektromotors. Die Konstrukteure derartiger Motoren sorgen natürlich durch eine geeignete Anordnung der vom Strom durchflossen Leiter und des Magnetfeldes im drehenden beziehungsweise im stehenden Teil des Motors dafür, dass die Kraftausbeute und damit das Drehmoment des Motors maximal sind. Letzteres hängt dann nur von der Höhe des Stromes in der Motorwicklung und der Höhe des Magnetfeldes ab. Und was diesen Motor so unschlagbar macht: Er stellt sein volles Drehmoment bereits im Stillstand zur Verfügung und behält es bei steigender Drehzahl aufrecht; bei entsprechender Steuerung von Strom und Magnetfeld kann das Drehmoment sogar variiert werden. Damit ist der Elektromotor der ideale Drehmomentwandler im gesamten Betriebsbereich eines Antriebes. Ein Getriebe wird nicht benötigt.

Die Eisbrecherkapitäne wissen das schon lange. Wenn der Propeller eines Ostseeeisbrechers, der einem Schiffskonvoi bei klirrender Kälte eine Passage im Botnischen Meerbusen freibrechen soll, im Eis stecken bleibt, dann ist mit einem Dieselantrieb kein Staat zu machen.

Der hat im Stillstand kein Drehmoment, der Propeller wird nicht wieder freikommen. Also:

Elektroantrieb, was sonst?

Und wie steht es um die Automobiltechnik? Aus Sicht des Antriebsdrehmomentes, das ja eine der Kerndaten im Leistungsblatt eines jeden Automobils ist, aber erst recht aus Umwelterwägungen heraus gibt es auch hier keinen günstigeren Antrieb als den elektrischen. Die Fortschritte auf dem Gebiet der Entwicklung von leistungsfähigen Batterien werden uns immer mehr saubere Blitzstarter an den Kreuzungen bescheren. Lebendige Physik gepaart mit Erleuchtungen aus dem gehobenen Matheunterricht, erlebt im Straßenverkehr – macht doch richtig Spaß, oder?? Jetzt wissen wir doch, warum!!!