Kraftwirkung auf elektrische Ströme im Magnetfeld - die Lorentzkraft

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(Kursstufe > Elektro-Magnetismus)

Beispiele

Versuche und Beispiele

Die springenden Kabel

Aufbau
a) Batterie 12V mit Kabel und Schalter kurzschließen. Gleiche und ungleiche Stromrichtung.
b) Aus dem Kabel eine lockere Spule um eine Stange wickeln, dann wieder einen starken Strom fließen lassen.
Beobachtung
a) Die beiden Kabel, bei denen der Strom in die gleiche Richtung fließt, werden zusammengezogen. Bei ungleicher Stromrichtung auseinandergedrückt.
b) Die Spule verkürzt sich, sie wird längs ihrer Symmetrieachse zusammengezogen.
Erklärung

Das Magnetfeld steht längs der Feldlinien unter Zugspannung und längs der Feldflächen unter Druckspannung. "Die Feldlinien sind wie sich gegenseitig abstoßende Gummibänder":

Versuch: Ein Kabel im Magnetfeld - die Leiterschaukel

Aufbau

Ein stromdurchflossenes Kabel und ein Hufeisenmagnet. Alternativ eine Leiterschaukel.

Beobachtung

Die Leiterschaukel steht bei eingeschaltetem Strom schräg. Je größer die Stromstärke, desto schräger steht die Schaukel. (Animationsfilm)

Ändert man die Stromrichtung oder vertauscht durch Umdrehen des Magneten die Pole, so wird die Schaukel in die andere Richtung gedrückt.

Steht der Leiter nicht senkrecht zu den Feldlinien, sondern schräg, ist der Effekt geringer.

Ergebnis
Versuch Leiterschaukel Lorentzkraft.png

Auf einen stromdurchflossenen Leiter, der senkrecht zu den Feldlinien eines Magnetfeldes steht, wirkt eine Kraft.

Die Kraftrichtung kann man mit Hilfe der UVW- oder Drei-Finger-Regel bestimmen:

UVW- oder Drei-Finger-Regel
Daumen Zeigefinger Mittelfinger
Drei Finger Regel.jpg
Ursache Vermittlung Wirkung
Stromrichtung[1]
(+ zu -)
Feldlinienrichtung Kraftrichtung

Zeichnet man die Feldlinien- und Flächen, so erkennt man wie das Magnetfeld den Leiter in eine Richtung drückt.

Man kann auch einen der Ströme als den felderzeugenden auffassen und den Strom im anderen Kabel als Probestrom, ähnlich wie Probekörper in einem Feld. Das wird zwar der symmetrischen Anordnung nicht gerecht, liefert aber für spätere Rechnungen durchaus das richtige Ergebnis.

Wickelkabel

Aufbau

Ein Kabel aus Kupfergeflecht und ein Festmagnet.

Siehe auch dieses Video. (Wo?)

Messen der Lorentzkraft / magnetische Feldkonstante

Aufbau

Eine lange Spule, ein Leiter an einem Kraftmesser innerhalb der Spule,

Links

Lorentzkraft
homopolare Motoren

Fußnoten

  1. Oft wird auch anstatt der Stromrichtung die Bewegungsrichtung der Elektronen verwendet, welche ja in Metallen die Ladungsträger sind. Dann muss man die linke Hand verwenden und den Daumen in Bewegungsrichtung der Elektronen halten. Zeigefinger und Mittelfinger zeigen in Feldlinien- und Kraftrichtung.
    Es ist aber nicht notwendig zwischen Metallen mit Elektronen als Ladungsträgern und anderen Ladungstransporten mit Ionen in Flüssigkeiten oder mit "Löchern" bei Halbleitern zu unterscheiden. Es kommt nur auf die Netto-Ladungstransportrichtung an und die hat man für die positiven Ladungsträger von + zu - festgelegt. Es gibt also nur eine Stromrichtung, egal in welche Richtung sich die Ladungsträger bewegen.