Auf Elektronen innerhalb eines stromdurchflossenen elektrischen Leiters, der sich so in einem Magnetfeld befindet, dass sich die Elektronen senkrecht zum Magnetfeld bewegen, wirkt die Lorentzkraft.
Zwischen den Elektronen im Leiter und den Protonen der Metallatome wirkt die anziehende elektromagnetische Wechselwirkung. Das bedeutet, dass wenn auf die Elektronen die Lorentzkraft wirkt, die Protonen gleichfalls mit ausgelenkt werden, so dass der gesamte Leiter eine resultierende Kraft erfährt. Hängt man in das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten eine Leiterschleife, kann man eine Kraftwirkung beobachten sobald Elektronen durch die Leiterschleife fließen. In der folgenden Simulation können Sie dieses Verhalten studieren.
Klicken Sie auf den Tab "Durchführung" und führen Sie das interaktive Experiment im Tab "Interaktives Experiment" wie beschrieben durch.
- Stellen Sie eine positive magnetische Flussdichte und eine positive Stromstärke ein. Klicken Sie auf "Stromstoß feuern" und beobachten Sie das Verhalten der Leiterschaukel.
- Stellen Sie eine negative magnetische Flussdichte und eine negative Stromstärke ein. Klicken Sie auf "Stromstoß feuern" und beobachten Sie das Verhalten der Leiterschaukel.
- Stellen Sie eine negative magnetische Flussdichte und eine positive Stromstärke ein. Klicken Sie auf "Stromstoß feuern" und beobachten Sie das Verhalten der Leiterschaukel.
Zu 1.: Mit der linken Handregel kann man das Verhalten der Leiterschaukel vorhersagen.
- Bei einer positiven Stromstärke fließen in dieser Simulation die Elektronen in die Ebene (Daumen in Richtung Ebene)
- Bei einer positiven magnetische Flussdichte sind die Magnetfeldlinien vom Nord- zum Südpol, also von oben nach unten gerichtet (Zeigefinder nach unten)
- Der abgespreizte Mittelfinger zeigt nach rechts, das ist die Richtung der Lorentzkraft, so dass die Leiterschaukel nach rechts ausgelenkt wird.
Zu 2.:
- Bei einer negativen Stromstärke fließen in dieser Simulation die Elektronen aus der Ebene heraus (Daumen aus Eben)
- Bei einer negativen magnetische Flussdichte sind die Magnetfeldlinien vom Nord- zum Südpol, also von unten nach oben gerichtet (Zeigefinder nach oben)
- Der abgespreizte Mittelfinger zeigt wieder nach rechts, das ist die Richtung der Lorentzkraft, so dass die Leiterschaukel wieder nach rechts ausgelenkt wird.
Zu 3.:
- Bei einer positiven Stromstärke fließen in dieser Simulation die Elektronen in die Ebene (Daumen in Richtung Ebene)
- Bei einer negativen magnetische Flussdichte sind die Magnetfeldlinien vom Nord- zum Südpol, also von unten nach oben gerichtet (Zeigefinder nach oben)
- Der abgespreizte Mittelfinger zeigt nach links, das ist die Richtung der Lorentzkraft, so dass die Leiterschaukel nach links ausgelenkt wird.
Bei einem stromdurchflossenen Leiter, der senkrecht zu einem Magnetfeld orientiert ist, besimmt man die Richtung der Lorentzkraft mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand:
Liegt der stromdurchflossene Leiter nicht senkrecht zum Magnetfeld, kann man mit den Methoden der Trigonometrie bzw. Vektorrechnung die wirksame Leiterlänge berechnen, die senkrecht zum Magnetfeld wäre und daraus die resultierende Lorentzkraft bestimmen.
Befestigt man eine Leiterschleife an einer Feder, dann kann man die wirkende Lorentzkraft experimentell messen und einen Zusammenhang zwischen den Größen Lorentzkraft \(F_\text{L}\), Stromstärke \(I\), magnetische Flussdichte \(B\) und Länge \(s\) des Leiters der senkrecht zum Magnetfeld orientiert ist und vollständig im Magnetfeld liegt bestimmen. Die quantitative Messung der Lorentzkraft können Sie in der folgenden Simulation nachvollziehen.