Die Lorentzkraft auf sich bewegende Ladungen

Gibt es eine Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und elektromagnetischen Feldern? Wie verhalten sich Ströme in Magnetfeldern

Beispiel Leiterschaukel:

Ein Leiterstück ist beweglich in einem Magnetfeld aufgehängt (Leiterschaukel). Die Leiterschaukel besteht nicht aus ferromagnetischem Material sondern z.B. aus Aluminium, denn sonst wäre eine sinnvolle Beobachtung nicht möglich.

  • Fließt kein Strom durch die Leiterschaukel, dann bewegt sie sich nicht. 
    Auf unbewegte Ladungen übt ein Magnetfeld keine Kraft aus.
  • Fließt Gleichstrom durch die Leiterschaukel, so wird sie ausgelenkt. 

 

Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so wirkt auf ihn eine Kraft. (sofern die Stromrichtung nicht parallel oder antiparallel zur Magnetfeldrichtung ist, denn dann wirkt keine Kraft).  Die Kraftwirkung ist am größten, wenn Stromrichtung und Magnetfeldrichtung einen Winkel von 90° bilden. Diese Kraft nennt man auch Lorentzkraft 

(nach Hendrik Antoon Lorentz, niederländischer Physiker(1853-1928)) Die genaue Formel dafür etwas später.

 

Die Richtung der Lorentzkraft hängt von der Richtung des Stromflusses und der Richtung des Magnetfeldes ab. Man bestimmt sie nach der 

Drei Finger Regel der linken Hand (auch UVW-Regel genannt).

Ursache
- der Strom.
Der Daumen der linken Hand zeigt in die tatsächliche Stromrichtung (Elektronen von - nach +). Oder man nimmt die rechte Hand, dann zeigt der Daumen in die technische Stromrichtung.
Vermittlung - das Magnetfeld
Der Zeigefinger der linken Hand zeigt in Magnetfeldrichtung (von N nach S).
Wirkung
- die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter.
Der abgespreizt Mittelfinger der linken Hand gibt dann die Kraftrichtung an!

Wenn der Stromkreis geschlossen wird (Vorsicht Kurzschluss), schlägt die Leiterschaukel  kräftig nach einer Seite aus. In welche Richtung wird die Leiterschaukel abgelenkt? Betrachte dazu die Kraft auf den blau eingezeichneten Teil der Leiterschaukel! 

Der Daumen der linken Hand zeigt    

Überlege nun die Richtung des Magnetfeldes: Die Feldlinien laufen immer vom Nordpol zum Südpol des Magneten. Der Zeigefinger zeigt daher nach

Zur Überprüfung deiner Lösung starte die Animation von Walter Fendt.
Achtung! Eingezeichnet ist hier die technische Stromrichtung. Lässt man den Daumen in diese Richtung zeigen, muss man die rechte Hand nehmen.
zum Applet von Walter Fendt

Die Erklärung der Beobachtung : 
Da die Elektronen den Alustab nicht verlassen können, drückt jedes bewegte Elektron mit seiner Lorentz-Kraft den Alustab in die Ablenkrichtung. Jede einzelne Kraft ist natürlich sehr klein, aber die Summe aller zusammenwirkenden Kräfte zwingt so den gesamten Stab zum Ausschlagen.
Ablenkkraft multipliziert mit der Schaukellänge (Hebelarm) ergibt ein Drehmoment wie man es z.B. bei Motoren benötigt.

Aufgaben zur Lorentzkraft
E-Mail: BRG Ried i. I - Physikauswahl Aktualisiert am 07.08.2003