8 Lorentzkraft FL und Magnetische Flussdichte B
Induktion ist das Zusammenspiel von Magnetfeldern und elektrischem Strom. Strom lässt sich von Magnetfeldern beeinflussen und man kann mit Strom auch hervorragend Magnetfelder erzeugen. Nur so sind technische Geräte wie Generatoren, Elektromotoren, Induktionsherde, kabelloses Aufladen technischer Geräte und vieles mehr möglich.
Stromschaukel
Ein ganz grundlegendes physikalisches Experiment, das den Zusammenhang von Strom und Magnetfeldern zeigt, ist die Stromschaukel.
Hier ist eine Animation, die zeigt, dass auf einen stromführenden Leiter eine Kraft wirkt, wenn er sich in einem Magnetfeld befindet. Die Voraussetzung dafür ist allerdings, dass das Magnetfeld und die Richtung des Stromflusses (in der Animation der silberne Aluminiumstab) senkrecht aufeinander stehen.
+Erläuterung der Stomschaukel
Die Lorentzkraft
Am Experiment der Stromschaukel lässt sich sehen, dass auf einen stromdurchflossenen elektrischen Leiter eine Kraft wirkt, wenn sich dieser in einem Magnetfeld befindet:
Dabei ist 
die bewegte Ladung, 
ist die Geschwindigkeit der Ladungsträger und 
die magnetische Flussdichte, die die Stärke des Magnetfeldes angibt. Das Kreuz das "Vektorprodukt" aus der Vektorrechnung. Wenn nur der Betrag von 
berechnet werden soll (d.h. die Richtung wird nicht beachtet) und wenn der Winkel zwischen den Vektoren 
und 
der Winkel 
ist, dann lässt sich die Formel auch ohne das Kreuzprodukt schreiben:
Und wenn die Vektoren 
und 
senkrecht aufeinander stehen, dann vereinfacht sich dies zu
weil 
ist. In den letzten beiden Gleichungen sind 
und 
die Beträge der Geschwindigkeit bzw. der magnetischen Feldstärke.
Da die Geschwindigkeit von Ladungsträgern nur schwer zu ermitteln ist, wird die Lorentzkraft oft auch mit einer anderen Formel berechnet:
Wenn man die elektrische Leitung der Länge 
betrachtet dann ist die Geschwindigkeit der Ladungsträger durch diese Leitung 
. Statt dessen kann man aber auch betrachten, wie viel Ladung pro Zeit durch die Leitung der Länge 
fließt:
Mit der Umformung 
wird aus der Formel für die Lorentzkraft:
bzw.
oder wenn der elektrische Leiter 
senkrecht zur magnetischen Flussdichte 
ist:
Diese Gleichung ist für die Praxis besser zu verwenden, weil die Stromstärke 
und die Länge der elektrischen Leitung 
leichter zu messen sind, als die Ladung 
und deren Geschwindigkeit 
.
Die Richtung, in welche welcher Vektor dabei zeigt, kann man sich mit der F-B-I-Regel merken:
F-B-I-Regel
Wenn Sie die rechte Hand zu einem "Pistolenschuss" erheben, dann stehen der Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger jeweils etwa senkrecht aufeinander. Der Daumen steht für die Kraft (F), der Zeigefinger für die magnetische Flussdichte (B) und der Mittelfinger zeigt in die Richtung, in der sich die Elektronen bewegen (I).
Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik12-1