Lorentzkraft (Video)
Erfahre in diesem Video, wie die Lorentzkraft auf geladene Teilchen wirkt, die sich in einem magnetischen Feld bewegen. Wir zeigen dir einfach und verständlich, was die Lorentzkraft ist und wie sie unsere Welt beeinflusst.
VIDEOSKRIPT
In diesem Video erklären wir dir alles, was du über die Lorentzkraft wissen musst.
Viel Spaß dabei!
Lorentzkraft einfach erklärt
Die Lorentzkraft ist, einfach gesagt, die Kraft, welche auf bewegte Ladungen in magnetischen Feldern wirkt. Sie wirkt immer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Teilchen und ist am größten, wenn sich die Ladung senkrecht zum Magnetfeld bewegt. Ist die Bewegungsrichtung parallel zu den Magnetfeldlinien wirkt die Lorentzkraft nicht.
Lorentzkraft Formel
Schauen wir uns dazu als erstes einmal die Formel für die Lorentzkraft auf ein Teilchen mit der Ladung q an. Die Lorentzkraft F L ist gleich q mal v mal B.
𝐹𝐿=𝑞⋅𝑣⋅𝐵
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=
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⋅
�
⋅
�
Dabei steht v für die Geschwindigkeit dieses Teilchens und B für die magnetische Flussdichte. Aber Vorsicht! Diese Regel gilt nur wenn die Bewegungsrichtung senkrecht zum Magnetfeld ist!
𝑣→⊥𝐵→
�
→
⊥
�
→
Ist sie das nicht, muss du die Formel um den sinus des Winkels erweitern, unter welchem sich ein geladenes Teilchen zur Richtung der magnetischen Feldlinien bewegt.
𝐹𝐿=𝑞⋅𝑣⋅𝐵⋅𝑠𝑖𝑛(𝛼)
�
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=
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⋅
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⋅
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⋅
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�
�
�
Lorentzkraft Leiterschaukel
Super! Jetzt wo du die Formel beherrscht, sehen wir uns doch gleich mal einen Versuchsaufbau an, bei dem du die Lorentzkraft gut erkennen kannst – Die Leiterschaukel.
Dafür hängst du einen nicht magnetischen Leiter in das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten. Dieser Leiter muss dabei frei beweglich sein! Du schließt außerdem eine Glühbirne und einen Schalter mit dem Leiter an eine Quelle an.
Stromdurchflossene Leiter
Wenn du nun den Schalter schließt, fließt ein Strom durch die Leiterschaukel, was du am Leuchten der Lampe erkennst. Genau in diesem Moment schlägt auch die Leiterschaukel in eine Richtung aus, in unserem Fall nach rechts.
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Begründung dafür: Stromfluss ist eigentlich nur eine Bewegung der Elektronen. Das bedeutet, dass auf diese Elektronen im Magnetfeld die Lorentzkraft wirkt. Die Leiterschaukel wird dementsprechend von den Elektronen mit der Lorentzkraft nach rechts gedrückt. Öffnest du den Schalter wieder, so geht die Leiterschaukel in die Ausgangsposition zurück.
Bewegte Ladung
Du kannst die Elektronen alternativ auch mechanisch bewegen, also ohne Stromquelle. Dafür haben wir den Versuch von vorhin etwas modifiziert und den Schalter und Spannungsquelle einfach mit einem Leitungsstück ersetzt.
Diesen Versuch haben wir sehr ausführlich in unserem Video zur Lenzschen Regel behandelt. Schau dir unser Video dazu an, um noch mehr zu erfahren!
Wenn du die Leiterschaukel in diesem modifizierten Versuch nach rechts ziehst, so fängt die Glühbirne ebenfalls an zu leuchten. Hier bewegst du sozusagen die Elektronen im Magnetfeld. Deshalb entsteht die Lorentzkraft, welche in diesem Fall nun die Elektronen innerhalb des Leiters sozusagen aus der Bildebene herauszieht. Es entsteht ein Strom der dafür sorgt, dass die Glühbirne leuchtet. Diesen speziellen Strom nennt man Induktionsstrom. Falls dich dieses Thema interessiert, kannst du dir gerne unser Video zu Spule und Induktion ansehen.
Lorentzkraft Rechte Hand Regel
Super! Als nächstes zeigen wir dir, wie du die Richtung der Lorentzkraft bestimmen kannst. Dafür gibt es die Rechte beziehungsweise Linke Hand Regel. Zur Rechten-Hand beziehungsweise zur linken Hand Regel haben wir auch ein ausführliches Video für dich erstellt.
Die Rechte Hand kannst du immer dann benutzen, wenn sich positive geladene Teilchen bewegen. Also zum Beispiel vom Plus zum Minuspol, was als technische Stromrichtung definiert ist. Die Linke Hand benutzt du im Umkehrschluss immer dann, wenn sich negativ geladene Teilchen bewegen. Dementsprechend vom Minus zum Pluspol. Die Handregel funktioniert nun folgendermaßen.
Du überlegst zuerst welche Hand du benutzen musst, also ob sich positive oder negative Teilchen bewegen. Danach streckst du Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger senkrecht voneinander weg. Du hältst dann deinen Daumen in die Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen. Mit deinem Zeigefinger zeigst du vom Nord- zum Südpol und dein abgestreckter Mittelfinger gibt dir dann die Wirkrichtung der Lorentzkraft an.
Lorentzkraft und Zentripetalkraft
Super, jetzt haben wir noch einen Sonderfall für dich. Und zwar ein freies Elektron, das sich in einem Magnetfeld bewegt. Dieses folgt nämlich immer einer Kreisbahn.
Wenn du das einmal mit der linken Hand Regel überprüfst, erkennst du auch warum. Die Lorentzkraft ist nämlich immer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Elektrons und zeigt in den Kreismittelpunkt. Die Lorentzkraft wirkt hier also als Zentripetalkraft.
Auf diese Weise konnte man die Masse eines Elektrons ermitteln. Wie das funktioniert kannst du dir gerne in unserem Video zum Fadenstrahlrohr ansehen.
Lorentzkraft Anwendung
Die Lorentzkraft findet auch noch in vielen anderen Gebieten eine Anwendung, beispielsweise beim Hall Effekt. Hier wird die Lorentzkraft genutzt, um eine Spannungsdifferenz in einem Sensor zu erzeugen. So kann man beispielsweise Magnetfelder messen. In Elektromotoren erzeugt die Lorentzkraft das Drehmoment und mit der Wirbelstrombremse sorgt die Lorentzkraft dafür, dass beispielsweise Züge verschleißfrei gebremst werden können. Schau dir gerne unsere Videos zu den einzelnen Themen an, wenn du genaueres wissen möchtest.
Outro
Klasse! Du weißt jetzt, was die Lorentzkraft bewirkt, wie du sie berechnen kannst und wie du deren Richtung bestimmen kannst.