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Lorentzkraft Erklärung

Geschrieben von: Dennis Rudolph
Sonntag, 20. Juli 2014 um 19:50 Uhr

Mit der Lorentzkraft befassen wir uns in diesem Artikel. Dabei erklären wir euch, was man unter der Lorentzkraft versteht und liefern hierzu erst einmal eine Reihe an Grundlagen. Dieser Artikel gehört zum Bereich Physik bzw. Elektrotechnik.

Als Lorentzkraft bezeichnet man die Kraft, die auf einzelne bewegte Ladungsträger in einem Magnetfeld wirkt. Aber was heißt das denn nun eigentlich? Um genau dies zu verstehen, sehen wir uns nun einige Grundlagen für dieses Gebiet an. Daher werfen wir zunächst einen Blick auf einen Magneten und ein Magnetfeld. Denn genau das ist die Grundlage dafür, die Erklärung für die Lorentzkraft zu verstehen.

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Lorentzkraft Grundlagen verstehen

Jeder hat sicher schon einmal einen Magneten in der Hand gehalten. Mit diesem kann man ein Stück Eisen anziehen. Der Magnet übt somit eine Kraft auf das Eisen aus, so dass dieses sich bewegt. Doch wie lautet die Definition für einen Magneten eigentlich? Die Antwort: Magnete sind Körper, die andere Körper in ihrer Umgebung magnetisch beeinflussen. Oder etwas anders formuliert: Magnete üben Kräfte (nur) auf ferromagnetische Stoffe (also zum Beispiel Eisen, Kobalt oder Nickel) aus.

Jeder Magnet hat so genannte Pole, einen Nordpol und einen Südpol. Diese Bezeichnungen stammen noch von den Kompassnadeln, die mit ihren Enden auf die magnetischen Pole der Erde zeigen. Dabei stoßen sich gleiche Pole ab, unterschiedliche ziehen sich an. Auch Stabmagnete und Hufeisenmagnete haben einen Nordpol und Südpol. Die folgende Grafik zeigt einen Hufeisenmagnet.

Beispiel Hufeisenmagnet:

Magnetismus Hufeisenmagnet

Magnetische Wirkungen sind nur im Bereich des magnetischen Feldes feststellbar. Mit Feldlinien kann man für jeden Punkt eines solchen magnetischen Feldes die Richtung der magnetischen Kraft grafisch darstellen. Diese Feldlinien weisen folgende Eigenschaften auf:

  • Die magnetischen Feldlinien verlaufen vom Nordpol zum Südpol
  • Die Richtung der Feldlinien entspricht der Richtung, in der sich ein Probennordpol bewegen würde.
  • Magnetische Feldlinien schneiden sich nicht
  • Eine höhere Dichte der Feldlinien bedeutet, dass ein stärkeres Magnetfeld vorliegt

Magnetische Feldlinien


Lorentzkraft Definition und Erklärung

Die Definition für die Lorentzkraft lautet: Als Lorentzkraft bezeichnet man die Kraft, die auf einzelne bewegte Ladungsträger in einem Magnetfeld wirkt. Und das sehen wir uns nun anhand einiger Grafiken näher an. Erklärung: Wir haben einen Magneten mit Nord- und Südpol, in dem die Feldlinien eingetragen sind. Das sieht dann so aus:

Lorentzkraft Grafik 1

Wir halten nun einen Leiter (schwarz eingezeichnet) zwischen Nord- und Südpol. Der Strom ist erst einmal aus:

Lorentzkraft Grafik 2

Und jetzt aktivieren wir den Strom (man beachte + und -). Dabei entsteht eine Lorentzkraft, die den Leiter zur Seite bewegt. Die Kraft wirkt also nach rechts, der Leiter geht damit nach rechts.

Lorentzkraft Grafik 3

Und jetzt findet eine Umpolung statt (also wir tauschen + und -). Dadurch wirkt die Lorentzkraft nach links, der Leiter geht damit nach links.

Lorentzkraft Grafik 4

Lorentzkraft Formel

Fehlen noch einige Formeln. Mit der ersten Formel kann man die Lorentzkraft berechnen, mit den anderen entsprechende Variablen für die Formel der Lorentzkraft. Bedingung: Unter der Voraussetzung, dass die Bewegung geladener Teilchen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes verläuft, kann der Betrag der Lorentzkraft mit der folgenden Formel berechnet werden.

Lorentzkraft Grafik 5

Dabei ist:

  • "FL" die Lorentzkraft in Newton
  • "Q" ist die Gesamtladung der Teilchen in Coulomb
  • "v" ist die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen in Meter pro Sekunde
  • "B" ist die magnetische Flussdichte in Newton pro Amperemeter
  • "l" ist die Länge des Leiters in Meter
  • "t" ist die Zeit in Sekunden
  • "N" ist die Anzahl der geladenen Teilchen, Einheitenlos
  • "e" ist die Ladung eines Teilchens in Coulomb
  • "I ist die Stromstärke in Ampere

Bewegen sich die geladenen Teilchen nicht senkrecht, sondern unter einem Winkel α (gesprochen: Alpha) zur Richtung des Magnetfeldes, dann ändert sich die Formel zu:

Lorentzkraft Grafik 6

Linke Hand Regel und Rechte Hand Regel

Die Rechte-Hand-Regel und die Linke-Hand-Regel sind Merkregeln für die Richtung des magnetischen Feldes, das von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird. Mit diesen Regeln lässt sich die Richtung der Kraft bestimmen. Die Linke-Hand-Regel wird eingesetzt, wenn der Stromfluss von - nach + stattfindet. Die Rechte-Hand-Regel wird hingegen eingesetzt, wenn der Strom von + nach - fließt.  Oder anders ausgedrückt: Linke Hand für elektrischen Strom mit negativen Ladungsträgern (Elektronen) und die rechte Hand für positive Ladungsträger (Kationen). Beides gilt für die physikalische Stromrichtung (also dem Stromfluss von - nach +).

Linke Hand Regel:

Der Daumen zeigt die Richtung des Elektronenstroms (und zwar von - nach +) an und stellt die Ursache dar. Der Zeigefinger gibt dann die Richtung des magnetischen Feldes an. Und der Mittelfinger zeigt dann in die Richtung der Kraft (ist also die Wirkung).

Linke Hand Regel

Rechte Hand Regel:

Der Daumen zeigt die Richtung des Elektronenstroms (und zwar von + nach -) an und stellt die Ursache dar. Der Zeigefinger gibt dann die Richtung des magnetischen Feldes an (und zwar vom Nordpol zum Südpol). Und der Mittelfinger zeigt dann in die Richtung der Kraft (ist also die Wirkung).

Rechte Hand Regel

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