Kraftwirkung auf elektrische Ströme im Magnetfeld - die Lorentzkraft: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 29. Juni 2017, 19:44 Uhr

(Kursstufe > Elektro-Magnetismus)

Beispiele

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  Video

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  Ein Mini-Motor. (Video)

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  Der "einfachste Zug der Welt". (Video)

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  Mini-Motor mit Spule (Video)

Versuche und Beispiele

Die springenden Kabel

Aufbau

Wenn man einen Bleiakku ("Autobatterie") mit einem Kabel "kurzschließt", fließt ein Strom mit sehr großer Stromstärke. (Deswegen sollte man mit dem Taster den Stromkreis auch nicht zu lange schließen.) Das dazu verwendete Kabel legt man auf verschiedene Arten über eine Stange.

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  Der Strom fließt in den beiden Kabeln in unterschiedliche Richtungen.

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  Hier fließt der Strom in die gleiche Richtung.

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  Aus dem Kabel wurde eine Spule mit 3 Windungen gewickelt.

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  Durch diese Spule fließt der Strom von unten nach oben.

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":

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  Längs der Feldlinien zieht das Magnetfeld die Kabel zusammen.

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  Längs der Feldflächen drückt das Magnetfeld die Kabel auseinander.

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  Das Magnetfeld zieht die Windungen entlang der Längsachse zusammen. Gegenüberliegende Kabel werden auseinandergedrückt.

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

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
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.

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  Das Feld um den stromdurchflossenen Leiter ist eine Überlagerung des magnetischen Wirbelfeldes um den Leiter mit dem homogenen Feld.

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  Auf der rechten Seite ist das Feld schwächer geworden, auf der linken Seite stärker. In der Nähe des Kabels überwiegt das magnetische Wirbelfeld.

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  Längs der Linien (rot) steht das Feld unter Zugspannung und längs der Flächen (grün) unter Druckspannung. Stellt man sich die Linien als elastische Gummibänder und die Flächen als zusammengedrückte Federn vor, so sieht man, dass der Leiter vom Feld nach rechts gedrückt wird.

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  Holz hat in der Nähe eines Astlochs eine ähnliche Struktur wie das Magnetfeld.

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.

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  Der Strom im rechten Kabel ist ein Probestrom im Feld des linken Stroms.

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  Die Stromrichtung des Probestroms ändert die Kraftrichtung.

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

• LEIFI:Kraft auf Stromleiter
• Animation: Gleichstrommotor von Walter Fendt

homopolare Motoren

• Video: How to build a simple electric motor, plus how it works. (youtube: "The Tabletop Explainer et al.") Bauanleitung für einen einfachen Motor mit einer Spule; Erklärung mit Lorentzkraft.
• Video: Wie man einen einfachen homopolaren Motor baut. (von "VitaliUS EN") Bauanleitungen für verschiedene einfache Motoren ohne Spule. Ohne Erklärung
• Video: Der einfachste Elektromotor der Welt (youtube: "Peter Baumgartner") Demonstration eines Motors aus einer Batterie, einem Magneten und einem kurzen Kabel. Ohne Erklärung
• Video: How to Build a Homopolar Motor (von "Wayne Schmidt") Verschiedene Bautypen von homopolaren Motoren und deren (gute) Erklärung.
• Video: Einfachster Elektrischer Zug in der Welt (von "AmazingScience 君")
  • Video: Einfachster Elektrischer Zug in der Welt 【wie zu bauen】 (von "AmazingScience 君")
  • Video: How to Build the Simplest Electric Train (von "Wayne Schmidt") Eine sehr detaillierte Bauanleitung und genauere Untersuchung der Parameter
• Video: Eine Demonstration der Lorentzkraft mit Hilfe eines freien elektrischen Leiters in Quecksilber (youtube: "Kanal von TMetatron")

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.