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Hier können Sie die Lorentzkraft berechnen lassen. Geben Sie dazu unten die elektrische Ladung, die Geschwindigkeit sowie die magnetische Flußdichte ein.

Lorentzkraft

Die Lorentzkraft ist eine physikalische Größe. Sie tritt im Zusammenhang von Magnetfeldern und Stromfluss auf. Die Lorentzkraft wurde nach dem niederländischen Mathematiker und Physiker Hendrik Antoon Lorentz benannt. Um zu versinnbildlichen, wann und wie die Lorentzkraft auftritt, sei dies an einem Modellversuch erklärt. In einem Hufeisenmagneten befindet sich ein Magnetfeld. Ein Magnet besteht immer aus einem Nordpol und einem Südpol. Die Kräfte, die hierbei entstehen, beeinflussen bestimmte metallische Gegenstände. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Ferromagnetismus. Das Phänomen Magnetismus wird zum Beispiel auch beim Kompass ausgenutzt: Wenn andere Kräfte fehlen und die Kompassnadel frei beweglich ist, so richtet sich diese stets nach dem Nordpol der Erde aus.

So diente der Kompass als Richtungsgeber für Reisende insbesondere in der Seefahrt, wo keine weiteren Anhaltspunkte als Richtungsgeber vorhanden waren. Im Hufeisenmagneten finden wir also Magnetfelder, die von Nordpol zum Südpol des Magneten fließen. Dabei sind die Felder jeweils zunehmend stärker, je näher sich Südpol und Nordpol sind. Hierbei spielt also die Flussdichte eine wichtige Rolle. Die Magnetfeldlinien sind daher auch parallel und überschneiden sich daher nicht. Hängt man nun eine Leiterschaukel im Hufeisenmagneten auf, so geschieht zunächst einmal nichts. Schließt man die Leiterschaukel an eine Stromquelle an, so findet je nach Ladung eine Bewegung statt. Die Bewegungsrichtung ist dabei abhängig davon, ob es sich beim Stromfluss um einen Austausch der Ladung von Plus nach Minus oder von Minus nach Plus handelt. Mit anderen Worten kommt es darauf an, ob es sich um negative Ladungsträger, also Elektronen oder um positive Ladungsträger also Kationen handelt. Die Stromrichtung der elektrisch geladenen Teilchen, sowie deren Ladung bestimmt also die Bewegungsrichtung der Leiter im Versuchsaufbau.

3-Finger-Regel


Dieses Phänomen kann man sich mittels der so genannten 3-Finger Regel einfach merken. Dazu streckt man den Daumen nach aussen, den Zeigefinger nach oben und den Mittelfinger nach unten. Der Daumen beschreibt dabei die Richtung an, in der sich der elektrische Strom bewegt. Diese Richtung wird auch technische Stromrichtung genannt. Der nach oben gestreckte Zeigefinger beschreibt das Magnetfeld also die Bewegung der Feldlinien vom Minuspol zum Pluspol. Der nach unten gerichtete Mittelfinger beschreibt die Lorentzkräfte. Hierbei unterscheidet man zwischen der Dreifingerregel der linken Hand um den Vorgang bei negativer elektrischer Ladung darzustellen und der rechten Hand, um den Stromfluss positiv geladener Teilchen darzustellen.

UVW-Regel


Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der UVW-Regel. Hiermit sind Ursache, Vermittlung und Wirkung gemeint. Die Ursache ist in diesem Zusammenhang der Stromfluss. Die Vermittlung ist das Magnetfeld, welches von Nord nach Süd verläuft. Die Wirkung ist somit letztlich die Kraft, die auf den stromdurchflossenen Leiter, in unserm falle also die Leiterschaukel wirkt, also die Lorentzkraft. Je nach Stromstärke die diesem Leiter zugeführt wird, erhöht sich auch die Lorentzkraft auf diesen und die Bewegung fällt stärker aus. Lorentzkräfte können nur dann wirken, wenn der elektrische Strom vertikal zu den Magnetfeldern wirkt.

Lorentzkraft als Zentripetalkraft


Wer bereits einmal mittels Eisenspänen und einem Löschblatt die Magnetfelder eines Stabmagneten sichtbar gemacht hat, wird feststellen, daß die Magnetfelder eine Kreisbahn beschreiben. Die Kreise werden dabei größer, je weiter Südpol und Nordpol voneinander entfernt sind. Die Kraftwirkung des Magnetfeldes nimmt von innen nach aussen ebenfalls ab. Führt man sich in diesem Zusammenhang vor Augen, daß die Lorentzkraft vertikal auf auf die einzelnen bewegten Ladungsträger wirkt, so kann man diese Kraft auch als Zentripetalkraft ansehen. Sie sorgt für Rotation, da sie senkrecht auf den Körper in Richtung der Achsenmitte einwirkt. Würde sie fehlen, würde die Bewegung vom Mittelpunkt weg in einer geraden Linie verlaufen.

Praktischer Nutzen der Lorentzkraft


Mit Hilfe der Lorentzkraft als Zentripetalkraft kann eine Rotation erzeugt werden. Somit ist die Technik mit ihrer Hilfe in der Lage, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Je höher die elektrische Spannung, die dabei dem System zugeführt wird, desto schneller ist die Rotationsbewegung und damit auch die mechanische Energie, die erzeugt wird. Weiterhin wirkt die Lorentzkraft auch bei der Erzeugung von Wechselspannung, indem in einer Spule eine Rotation erzeugt wird, die dann elektrischen Strom liefert.

Einsatz in der Industrie


Neben der Erzeugung von elektrischer Energie in Kraftwerken, wird die Lorentzkraft auch für die so genannte Wirbelstrom-Bremse genutzt. Hierbei wird ein Rad aus Metall mit einem Magnetfeld versehen. Die in dem Rad befindlichen Elektronen werden durch die Rotation des selben in Bewegung gesetzt, wodurch die Lorentzkraft ausgelöst wird. Diese wirkt bekanntlich vertikal dagegen und bewirkt somit weine Bremswirkung. Generell wird die Lorentzkraft in der Antriebstechnik genutzt. Die Rotationsbewegung, welche sie erzeugt, macht es möglich, einen Motor zu bewegen. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Physik selbst: Mithilfe der Lorentzkraft können beim so genannten Schattenkreuzversuch nämlich auch Teilchen nachgewiesen werden.
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