Im Physikunterricht der gymnasialen Mittelstufe (etwa Klassen 9/10) werden Funktionsprinzip und Aufbau einfacher elektrischer Motoren besprochen. Manchmal wird auch wirklich ein einfaches Modell gebaut, um zu zeigen, wie einfach und effektiv ein Gleichstrommotor ist. Kohlebürsten spielen dabei im Innenleben eine ganz zentrale Rolle. Um ihren Zweck zu verstehen, muss man sich einen Elektromotor vor Augen führen.
Was passiert im Elektromotor und wo sitzen dabei die Kohlebürsten?
Ein gleichstrombetriebener Elektromotor ist nichts anderes als ein Rotor, also ein fester Körper, an dem zwei Elektromagnete angebracht sind, die von elektrischer Energie angetrieben werden und diese in Bewegungsenergie, eben die Drehbewegung, umwandeln. Kohlebürsten bilden hierbei die erforderliche permanente Verbindung der beiden Stromzuführungen zu den Elektromagneten auf dem Rotor. Die Spannungsversorgung erfolgt durch einen Trafo, der Strom aus dem öffentlichen Netz bezieht.
Diese Verbindungsstelle ist von besonderem Interesse
Sie muss einerseits solide genug sein, um den Strom zuverlässig zu übertragen, und zwar auch dann, wenn der Motor sehr lange oder sehr schnell läuft. Sie muss aber auch flexibel genug sein, um auch nach längerer Zeit noch der Drehbewegung standzuhalten und trotzdem eng genug an dem Schleifkontakt auf dem Rotor anzuliegen. Über einen festen Draht kann man diese Verbindung nicht sicherstellen, da er irgendwann auf jeden Fall zu kurz wäre. Es bleibt nur die Herstellung mittels Schleifkontaktes und Kohlebürste.
Der Begriff „Kohlebürste“ ist dabei in zweifacher Hinsicht irreführend, denn es Handelt sich im Grunde nicht richtig um eine „Bürste“, sondern um einen Gleitkontakt. Der Motor kann sich beliebig oft drehen, und trotzdem bleibt der Stromfluss gewährleistet. Auch „Kohle“ spielt hierbei nicht wirklich eine Rolle, denn die eigentliche Verbindungsstelle besteht in aller Regel aus „Graphit“. Graphit ist ein natürliches Mineral, das meist an Kohle gebunden im Erdreich vorkommt. Es ist also ein Nebenprodukt der kohlefördernden Industrie. Vermutlich ist es die schwarze Farbe, die den Bezug zur Kohle herstellte und den Begriff „Kohlebürste“ prägte; korrekt müsste man eher „Graphit-Gleitkontakt“ oder so sagen.
Kohlebürsten sind ein einfaches Bauteil, glanzlos und in seiner Funktionsweise recht nah an der Schulphysik. Sie werden nur von wenigen Herstellern weltweit produziert, denn sie bringen keinen besonderen Gewinn und sind nicht innovativ oder so etwas. In den vergangenen Jahrzehnten haben Kohlebürsten und überhaupt Gleichstrommotoren stark an Bedeutung verloren, spätestens seit Entwicklung des Drehstrommotors. Dennoch ist der Gleichstrommotor in vielen einfachen Produkten enthalten, wie z.B. Rasierer, Mixer, Teichpumpe, Spielzeug, da er sehr gut zu regeln ist und in seiner Herstellung unschlagbar billig ist.
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