Lorentzkraft
Die Lorentzkraft ist die Kraft, die ein elektrisch geladenes Teilchen bei der Bewegung durch ein Magnetfeld erfährt. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Funktionsweise elektrischer Maschinen wie Elektromotoren, Generatoren und Stromschienenverteiler.
Wie die Lorentzkraft entsteht und wie sie berechnet wird, erklären wir in diesem Beitrag in unserem Glossar.
Was ist die Lorentzkraft?
Wird ein elektrisch geladenes Teilchen, zum Beispiel ein Elektron, durch ein Magnetfeld bewegt, entsteht die Lorentzkraft. Dabei wirkt eine Kraft auf das Teilchen. Diese Kraft hängt sowohl von der Geschwindigkeit des Teilchens als auch von der Stärke des Magnetfeldes ab. Diese Kraft lenkt das Teilchen ab. Sichtbar wird dies z.B. durch die Ablenkung eines Elektronenstrahls in einem Fernseher oder Monitor.
Berechnung der Lorentzkraft
Die Lorentzkraft kann nach folgender Formel berechnet werden:
F=q⋅(v×B)
Dabei steht
- F für die Lorentzsche Kraft (in Newton),
- q für die elektrische Ladung des Teilchens (in Coulomb),
- v für die Geschwindigkeit des Teilchens (in Meter/Sekunde),
- B für die magnetische Flussdichte des Teilchens (in Tesla).
Das Kreuzprodukt v×B gibt an, dass die Richtung der Lorentzkraft senkrecht zur Richtung der Bewegung des geladenen Teilchens und zur Richtung des magnetischen Feldes steht.
Die Linke-Hand-Regel
Mithilfe der Linken-Hand-Regel kann die Richtung der Lorentzkraft bestimmt werden. Diese Regel wird zur Bestimmung der Richtung der Lorentzkraft auf ein negatives Teilchen (z. B. ein Elektron) verwendet.
So wenden Sie die Linke-Hand-Regel an:
- Daumen: Zeigt in Richtung der Stromstärke (I) – vom Minus-Pol (-) zum Plus-Pol (+).
- Zeigefinger: Zeigt in Richtung der magnetischen Feldstärke (B) – vom Nord- zum Südpol.
- Mittelfinger: Zeigt die Richtung der Lorentzkraft (FL) an.
Die Rechte-Hand-Regel
Sie fragen sich, wo der Unterschied zur Rechten-Hand-Regel liegt?
Während die Linke-Hand-Regel auf die Bewegung der Elektronen (negative Ladungen) fokussiert ist, beschäftigt sich die Rechte-Hand-Regel mit der Bewegung von Protonen (positive Ladungen).
Bei der Linke-Hand-Regel betrachten Sie die Elektronen, die sich in Richtung des positiven Pols bewegen. Die Rechte-Hand-Regel hingegen wird verwendet, um die Richtung der Lorentzkraft auf positive Ladungen, wie Protonen, zu bestimmen. Protonen wandern zum negativen Pol.
Um die Richtung der Lorentzkraft bei positiven Ladungen zu ermitteln, halten Sie die rechte Hand so, dass:
- Der Daumen in die Bewegungsrichtung der positiven Ladungen zeigt (z.B. der Protonen),
- der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfelds zeigt,
- der Mittelfinger dann die Richtung der resultierenden Lorentzkraft angibt.
Die Rechte-Hand-Regel wird insbesondere bei der Betrachtung von konventionellen Strömen (Fluss positiver Ladungen) angewendet, was in vielen technischen Anwendungsfällen der Standard ist.
Anwendung der Lorentzkraft
Die Lorentzkraft findet breite Anwendung in verschiedenen Bereichen der Elektrotechnik, z.B.:
- In Elektromotoren: Hier sorgt die Lorentzkraft für die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld, was die Rotation der Motorwelle antreibt.
- In Generatoren: In Generatoren wird durch die Bewegung von Leitern in einem Magnetfeld eine Spannung erzeugt, was durch die Lorentzkraft ermöglicht wird.
- In Teilchenbeschleunigern: In der Physik wird die Lorentzkraft genutzt, um geladene Teilchen auf Kreisbahnen zu lenken.
- In Stromschienenverteilern: Bei Stromschienensystemen wirkt die Lorentzkraft auf stromführende Leiter in einem Magnetfeld. Insbesondere in Verteilersystemen, die hohe Ströme leiten, erzeugt die Lorentzkraft mechanische Kräfte auf die Schienen. Diese Kräfte können, je nach Stromstärke und Anordnung der Schienen, zu beträchtlichen mechanischen Belastungen führen. Daher müssen Stromschienen und ihre Halterungen so ausgelegt werden, dass sie diesen Kräften standhalten, um mechanische Verformungen oder Kurzschlüsse zu vermeiden.
Fazit: Die Lorentzkraft ist ein grundlegendes Prinzip
Die Lorentzkraft ist somit ein grundlegendes Prinzip für viele elektrische und elektromagnetische Systeme. Dazu gehört auch die sichere und effiziente Verteilung von Elektrizität in industriellen Umgebungen.
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