Kraftwirkung auf elektrische Ströme im Magnetfeld - die Lorentzkraft

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(Kursstufe > Elektro-Magnetismus)


Versuche und Beispiele

Die springenden Kabel

Aufbau

Batterie 12V mit Kabel und Schalter kurzschließen. Gleiche und ungleiche Stromrichtung.

Beobachtung

Die beiden Kabel, bei denen der Strom in die gleiche Richtung fließt, ziehen sich an. Bei ungleicher Stromrichtung stoßen sie sich ab.

Erklärung

Die Feldlinien sind wie sich gegenseitig abstoßenden Gummibänder:

  • Längs der Feldlinien zieht das Magnetfeld die Kabel zusammen.

  • Längs der Feldflächen drückt das Magnetfeld die Kabel auseinander.

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.

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

  • Die Stromrichtung des Probestroms ändert die Kraftrichtung.

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.

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

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

  • 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.

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

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.
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