Lorentzkraft
Die Lorentzkraft beeinflusst bewegte elektrische Ladungen in einem Magnetfeld und wurde nach Hendrik Antoon Lorentz benannt. Erfahre, wie sie sich auf stromdurchflossene Leiter auswirkt, wie das elektromotorische Prinzip funktioniert und erhalte Beispiele aus der Technik. Neugierig geworden? Das und vieles mehr erwartet dich im folgenden Text!
- Lorentzkraft – Definition
- Was ist die Lorentzkraft? – Das Leiterschaukel-Experiment
- Lorentzkraft – das elektromotorische Prinzip
- Lorentzkraft – Beispiel aus der Technik
- Lorentzkraft – Formel
- Lorentzkraft – Einheit
- Elektromotorisches Prinzip und elektromagnetische Induktion – Tabellarischer Vergleich
- Ausblick – das lernst du nach Lorentzkraft
- Zusammenfassung – Lorentzkraft
- Häufig gestellte Fragen zum Thema Lorentzkraft – Definition, Regeln und Anwendung
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Grundlagen zum Thema Lorentzkraft
Lorentzkraft – Definition
Die Lorentzkraft ist eine Kraft, die auf eine bewegte elektrische Ladung in einem Magnetfeld wirkt. Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung und senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes.
Benannt ist die Lorentzkraft nach dem Niederländer Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), einem bedeutenden theoretischen Physiker.
Wusstest du schon?
Die Lorentzkraft ist der Grund, warum dein Smartphone vibriert! In einem kleinen Motor bewegen sich Magneten und elektrische Ströme, die durch die Lorentzkraft in Schwingung versetzt werden. Das führt zu den Vibrationen, die du fühlst, wenn du eine Nachricht bekommst.
Was ist die Lorentzkraft? – Das Leiterschaukel-Experiment
Hängst du eine Leiterschaukel in einen Magneten, so bewegt sich die Leiterschaukel, wenn der Stromkreis geschlossen wird. Es wirkt also eine Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter. Die Bewegungsrichtung der Leiterschaukel ist senkrecht zu den magnetischen Feldlinien und senkrecht zu den Elektronenbewegungen im Leiter.
Diese Kraft ist die Summe der Lorentzkräfte auf die einzelnen Elektronen. Oft wird auch diese Gesamtkraft Lorentzkraft genannt.
Die Richtung der Lorentzkraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld kann man mit der Drei-Finger-Regel oder U-V-W-Regel der linken Hand bestimmen: Zeigt der Daumen in Richtung der Elektronenbewegung von $-$ nach $+$ und der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes, so zeigt der Mittelfinger in Richtung der Lorentzkraft.
Die Initialen U-V-W stehen dabei für Ursache, Vermittlung und Wirkung. In dem Leiterschaukel-Experiment ist die Ursache die Elektronenbewegung, die Vermittlung das Magnetfeld, die Wirkung die Lorentzkraft.
Lorentzkraft – das elektromotorische Prinzip
In der Physik bezeichnet man als elektromotorisches Prinzip die Tatsache, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft senkrecht zur Bewegung der Elektronen und senkrecht zu den magnetischen Feldlinien wirkt. Diese Kraft kann eine mechanische Bewegung antreiben. Auf diesem Prinzip basiert ein Elektromotor.
Schlaue Idee
Beim Experimentieren mit einem einfachen Elektromotor kannst du die Lorentzkraft beobachten. Wenn Strom durch die Spule fließt, entsteht eine Kraft, die den Motor in Bewegung setzt. Probiere es aus und baue deinen eigenen kleinen Motor.
Die Umkehrung dieses Prinzips ist die elektromagnetische Induktion. Hierbei wird durch mechanische Bewegung in einem Magnetfeld eine Spannung erzeugt. Wieder gibt die
Jeder Generator folgt diesem Prinzip:
Aus mechanischer Bewegung wird durch Vermittlung des Magnetfeldes elektrischer Strom.
Lorentzkraft – Beispiel aus der Technik
Das Drehspulinstrument beruht auf einer Anwendung der Lorentzkraft: In einem Magnetfeld ist eine Spule aufgehängt. Jeder Strom durch die Spule erzeugt ein Magnetfeld. Aufgrund der Abstoßung dieses Feldes durch das umgebende Magnetfeld dreht sich die Spule. Ein Zeiger an der Spule macht die Bewegung sichtbar. Je stärker der Strom ist, der durch die Spule fließt, desto größer ist der Zeigerausschlag. So kann man die Bewegung der Spule als Messinstrument für die Stromstärke durch die Spule kalibrieren. Messgeräte für die Stromstärke wie dieses Drehspulinstrument werden in Reihe geschaltet, um den Stromfluss durch das Instrument zu gewährleisten.
Kennst du das?
Vielleicht hast du schon einmal davon gehört, dass Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger auf sehr hohe Geschwindigkeiten gebracht werden können. Das geschieht durch die Lorentzkraft, die auf die geladenen Teilchen wirkt, wenn sie durch Magnetfelder gelenkt werden. Diese Kraft ermöglicht es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die Eigenschaften von Teilchen zu erforschen und neue Erkenntnisse in der Physik zu gewinnen.
Lorentzkraft – Formel
Um die Lorentzkraft berechnen zu können, muss man die senkrechten Richtungen der Magnetfeldlinien, der Elektronenbewegung und der mechanischen Bewegung berücksichtigen. Die Lorentzkraft $F_\text{L}$ ist proportional zu der Stromstärke $I$ und zur Stärke des Magnetfeldes $B$.
Für die Lorentzkraft auf einen stromdurchflossenes Leiterstück der Länge $\ell$, das senkrecht zur Richtung der Magnetfeldlinien steht, gilt dann:
$F_\text{L}=I \cdot B \cdot \ell$.
Stehen Bewegungsrichtung der Ladungsträger und Magnetfeld senkrecht aufeinander, beschreibt diese Formel die Lorentzkraft auf einen einzelnen Ladungsträger mit der Ladung $q$.
$F_\text{L}= q \cdot v \cdot B$
Hier ist $q$ die Ladung, die bewegt wird, $v$ die Geschwindigkeit der Ladung und $B$ das Magnetfeld.
Lorentzkraft – Einheit
Die Lorentzkraft $F_\text{L}$ ist eine Kraft und hat daher die Einheit Newton $\text{N}$.
$\lbrack F_{L} \rbrack=1\,\text{N}$
Elektromotorisches Prinzip und elektromagnetische Induktion – Tabellarischer Vergleich
| elektromotorisches Prinzip | elektromagnetische Induktion |
|---|---|
| bewegte Ladungen + Magnetfeld → Kraftwirkung |
mechanische Bewegung + Magnetfeld → Stromfluss |
| Anwendung: Elektromotor | Anwendung: Generator |
Ausblick – das lernst du nach Lorentzkraft
Mache dich bereit für weitere Phänomene, die aufgrund der Lorentzkraft existieren. Vertiefe dein Wissen zur Lorentzkraft mit den Themen zur lenzschen Regel und zur Selbstinduktion.
Zusammenfassung – Lorentzkraft
- DIe Lorentzkraft $F_L$ ist eine Kraft im Magnetfeld, die auf bewegte elektrische Ladung wirkt.
- Die Lorentzkraft wirkt immer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung und zur Magnetfeldrichtung. Die Richtung lässt sich mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand bestimmen. Der Daumen zeigt in Bewegungsrichtung der Ladung, der Zeigefinger in Magnetfeldrichtung und der Mittelfinger in Richtung der Lorentzkraft.
- Bei einem stromdurchflossenen Leiter der Länge $l$ wird die Lorentzkraft mit folgender Formel berechnet: $F_L = I \cdot B \cdot l$
- Bei einem bewegten Ladungsträger mit der Ladung $q$ gilt im Allgemeinen für die Lorentzkraft: $F_L = q \cdot v \cdot B$
Häufig gestellte Fragen zum Thema Lorentzkraft – Definition, Regeln und Anwendung
Transkript Lorentzkraft
Hallo, unser heutiges Thema ist die „Lorentzkraft“. Du solltest dazu einige Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Induktion kennen, sowie etwas über bewegte Ladungen, Ströme und Magnetfelder wissen. Wir lernen heute etwas über die Lorentzkraft und ihre Eigenschaften. Sowie einen Zusammenhang zwischen Induktion und Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld und wie „Drehspulinstrumente“ funktionieren. Wir betrachten das „Leiterschaukel-Experiment“. Eine Leiterschaukel hängt in einem Magnetfeld. Sie ist Teil eines Stromkreises, der zunächst offen ist. Wird nun der Stromkreis geschlossen, so beobachten wir einen Ausschlag der Leiterschaukel nach rechts. Auf die Leiterschaukel wirkt im Magnetfeld eine Kraft senkrecht zu den magnetischen Feldlinien und senkrecht zur Elektronenbewegung. Diese Kraft wird als Lorentzkraft bezeichnet. Sie wird nach dem niederländischen Mathematiker und Physiker Henrik Anton Lorentz, der von 1853 bis 1928 lebte, so genannt. Die Richtung der Kraft kann mithilfe der „Drei-Finger-Regel“ der linken Hand bestimmt werden. Zeigt der Daumen in die Richtung der Ursache, hier Bewegungsrichtung der Elektronen, also von Minus nach Plus, der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes, das wird „Vermittlung“ genannt, dann gibt der Mittelfinger die Richtung der Wirkung, hier die Richtung der Kraft, also der Lorentzkraft, an. Nun zu einem Zusammenhang des geschilderten Experimentes zur elektromagnetischen Induktion. „Elektromotorisches Prinzip“ und „Induktion“: Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft senkrecht zu den Feldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen. Dieser Vorgang wird als „elektromotorisches Prinzip“ bezeichnet. Mit der UVW-Regel der linken Hand kann die Richtung der Kraft angegeben werden. Daumen: Richtung der Ursache, hier Bewegungsrichtung der Elektronen. Zeigefinde: Richtung der Vermittlung, also der Magnetfeldlinien. Und der Mittelfinger gibt die Richtung der Wirkung, hier Richtung der Lorentzkraft, an. Kurz gesagt, elektrische Strom, daraus folgt mechanische Bewegung, das passiert in jedem Elektromotor. Das elektromotorische Prinzip ist die Umkehrung der „elektromagnetischen Induktion“. Aus mechanischer Bewegung kann in einem Magnetfeld eine Spannung erzeugt werden. Mithilfe der UVW-Regel der linken Hand können auch hier die Verhältnisse erklärt werden. Daume: Richtung der Ursache, hier die Bewegungsrichtung des Leiters. Zeigefinger: Richtung der Vermittlung, also wieder Richtung der Magnetfeldlinien. Mittelfinger: Richtung der Wirkung, hier die Bewegungsrichtung der Elektronen. Auch hier kann wieder kurz formuliert werden, aus mechanischer Bewegung folgt eine elektrische Spannung. Das passiert in jedem Generator. Über Bau und Funktion von Elektromotoren und Generatoren kannst Du Dich in anderen Videos informieren. Nun zu einer Anwendung der Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und Magnetfeld. Das Drehspulinstrument: Die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes kann in einem Messgerät zur Bestimmung der Stromstärke genutzt werden. Das Prinzip funktioniert so: Durch eine Spule im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten, fließt ein Strom und erzeugt selbst ein Magnetfeld. Dadurch entstehen „Abstoßungskräfte“. Wird die Spule mit einem Zeiger verbunden und das Gerät geeicht, kann eine Stromstärke gemessen werden. Denn je größer die Stromstärke, desto größer der Zeigerausschlag. Da der zu messende Strom durch das Gerät fließen muss, werden Strommesser in Reihe zu einem bestimmten Bauelement geschaltet. Wir fassen zusammen: Elektromotorisches Prinzip: Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft, Lorentzkraft, senkrecht zu den Feldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen. Die elektromagnetische Induktion ist die Umkehrung des elektromotorischen Prinzips. UVW-Regel der linken Hand: Daumen: Richtung der Ursache. Zeigefinger: Richtung der Magnetfeldlinien, also Vermittlung. Und Mittelfinger: Richtung der Wirkung. Das war es für heute. Ich hoffe, Dir hat es etwas Spaß gemacht und Du hast alles verstanden. Bis zum nächsten Mal.
Lorentzkraft Übung
-
Beschreibe das elektromotorische Prinzip.
TippsDas elektromotorische Prinzip ist die Umkehrung der Induktion.
LösungDas elektromotorische Prinzip besagt, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft senkrecht zu den Feldlinien und senkrecht zur Stromrichtung wirkt. Somit ist es genau die Umkehrung der „Induktion".
-
Ordne den Fingern ihre Bedeutung in der UVW-Regel zu.
TippsMit der UVW-Regel können wir vorhersagen in welche Richtung sich die Leiterschaukel im „Leiterschaukelexperiment" bewegen wird.
LösungDie UVW-Regel erklärt die Zusammenhänge zwischen der Stromrichtung, welche „Ursache" oder kurz „U" genannt wird, der Richtung der Magnetfeldlinien, die hier „Vermittlung" (kurz „V") genannt wird, und der „Wirkung" dieser beiden, kurz „W". Die Wirkung entspricht der Auslenkung durch die Lorentz-Kraft.
Dabei wird die Ursache durch den Daumen, die Vermittlung mit dem Zeigefinger und die Wirkung mit dem Mittelfinger dargestellt.
-
Untersuche die Unterschiede zwischen Elektromotor und Generator.
TippsFür Generator und Motor gilt die „Linke-Hand-Regel".
Ein Automotor erzeugt Bewegung.
Ein Generator erzeugt Strom aus Bewegung.
LösungDer Elektromotor basiert auf dem „elektromotorischen Prinzip". Das heißt, ein stromdurchflossener Leiter erfährt eine Kraft im Magnetfeld. Daraus resultiert eine Bewegung, die genutzt werden kann. Der Generator funktioniert genau umgekehrt, das heißt, wird ein Magnet im Magnetfeld bewegt, entsteht eine Spannung. Dieses Prinzip kennen wir als Induktion. Das heißt, bei beiden Vorgängen, Induktion und dem elektromotorischen Prinzip, kann die „Linke-Hand-Regel" eingesetzt werden. Wichtig ist hierbei nur die technische und die physikalische Stromrichtung zu unterscheiden.
-
Leite die Richtung des Induktionsstroms her.
TippsMagnetfeld, Strom und Lorentzkraft sind senkrecht zueinander.
Der Daumen bezeichnet die Ursache, hier also die Lorentzkraft.
Das Magnetfeld ist weiterhin die Vermittlung, also der Zeigefinger.
LösungAnhand der Zeichnung können wir die Aussagen leicht prüfen. Es gilt die UVW-Regel, das heißt, Magnetfeld, Lorentzkraft und Elektronenbewegung müssen stets senkrecht aufeinanderstehen. Zeigt zum Beispiel das Magnetfeld (Zeigefinger) von oben nach unten und die Lorentzkraft (Daumen) auf dich zu, muss der Strom nach rechts fließen. Für den Fall, das keine Kraft wirkt, fließt auch kein Strom.
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Benenne den Entdecker der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld.
TippsNach ihm wurde die Wirkung der UVW-Regel benannt.
LösungDie Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld heißt Lorentz-Kraft. Das liegt daran, dass Hendrick Antoon Lorentz diese Kraft entdeckt hat. Du kennst diese Kraft auch als „Wirkung" in der UVW-Regel für die linke Hand.
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Analysiere was passiert, wenn wir die technische Stromrichtung anstatt der physikalischen betrachten.
TippsWir betrachten das angelegte äußere Magnetfeld, nicht direkt das des stromdurchflossenen Leiters.
Probiere es mit der UVW-Regel einmal aus !
LösungWir legen der Lorentzkraft mit der UVW-Regel eine Richtung auf Basis der Richtungen von Strom und Magnetfeld zugrunde. Die technische Stromrichtung wirkt von + nach -, also der physikalischen Stromrichtung entgegen.
Das heißt, wir müssten bei der UVW-Regel den Daumen in die andere Richtung, also nach links, halten. Das Magnetfeld bleibt gleich. Somit würde sich die Richtung der Kraft umkehren, nicht mehr von dir weg, sondern auf dich zu.
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gut erklärt
Sehr gut vielen Dank
Viel zu kompliziert aus meiner Sicht
sehr sehr gut erklärt!
Habe ich sehr gut verstanden:)