Lorentzkraft auf bewegte Ladungen
Welche Kraft wirkt auf eine Ladung q, die sich mit der Geschwindigkeit v senkrecht zu den Feldlinien eines Magnetfelds der Flussdichte B bewegt?
ErklĂ€rung: Im senkrechten Fall gilt F = q·v·B â die Lorentzkraft auf die einzelne bewegte Ladung. Sie folgt aus der Leiterkraft F = B·I·l, verteilt auf die N LadungstrĂ€ger im LeiterstĂŒck.
Ein Magnetfeld ĂŒbt auf jede elektrische Ladung eine Kraft aus â egal, ob sie ruht oder sich bewegt.
ErklĂ€rung: Falsch â aber eines der hĂ€ufigsten Fehlmuster ĂŒberhaupt (Maloney et al. 2001). Die Lorentzkraft F = q·v·B wird fĂŒr v = 0 null: Auf ruhende Ladungen wirkt ein Magnetfeld nicht. Kraft auf ruhende Ladungen ĂŒbt nur ein elektrisches Feld aus.
Ein Elektron (e = 1,6·10â»Âčâč C) fliegt mit v = 2,5·10â· m/s senkrecht zu den Feldlinien eines Magnetfelds mit B = 0,5 T. Berechne den Betrag der Lorentzkraft. Antwort in Piconewton (1 pN = 10â»ÂčÂČ N).
ErklĂ€rung: F = e·v·B = 1,6·10â»Âčâč C · 2,5·10â· m/s · 0,5 T = 2·10â»ÂčÂČ N = 2 pN. Trotz des winzigen Betrags ist die Wirkung enorm, weil die Elektronenmasse noch viel kleiner ist.
Wie bestimmt man die Richtung der Lorentzkraft auf ein bewegtes Elektron?
ErklĂ€rung: Die Drei-Finger-Regel der rechten Hand gilt fĂŒr die technische Stromrichtung, also fĂŒr positive Ladungen. Elektronen sind negativ â man nimmt die linke Hand oder hĂ€lt den rechten Daumen entgegen der Elektronenflussrichtung.
Bewegt sich eine Ladung parallel zu den Feldlinien eines Magnetfelds, wirkt keine Lorentzkraft auf sie.
ErklĂ€rung: Richtig! Aus F = q·v·B·sin α folgt fĂŒr α = 0° die Kraft null. Nur die zum Feld senkrechte Geschwindigkeitskomponente erzeugt eine Lorentzkraft.
Auf ein Proton wirkt bei senkrechtem Einschuss (α = 90°) die Lorentzkraft 8·10â»Âčâ” N. Berechne die Kraft bei gleichem v und B, wenn die Flugrichtung mit den Feldlinien den Winkel α = 30° bildet (sin 30° = 0,5). Antwort in 10â»Âčâ” N.
ErklĂ€rung: F = q·v·B·sin α skaliert mit sin α. Bei 30° ist sin α = 0,5, also halbiert sich die Kraft von 8·10â»Âčâ” N auf 4·10â»Âčâ” N.
Bei der Herleitung von F = q·v·B aus der Leiterkraft F = B·I·l ersetzt man die StromstĂ€rke durch I = N·e/Ît. Welcher weitere Schritt fĂŒhrt zur Kraft auf die einzelne Ladung?
ErklĂ€rung: Mit I = N·e/Ît und l = v·Ît wird F = B·I·l = B·N·e·v â die Kraft auf alle N LadungstrĂ€ger zusammen. Geteilt durch N bleibt fĂŒr die Einzelladung: F = e·v·B.
In welche Richtung zeigt die Lorentzkraft auf eine bewegte Ladung?
ErklĂ€rung: Die Lorentzkraft steht senkrecht auf v und auf B â das unterscheidet das Magnetfeld grundlegend vom elektrischen Feld, dessen Kraft lĂ€ngs der Feldlinien wirkt. Genau diese Ăbertragung des E-Feld-Bilds ist ein dokumentiertes Fehlmuster (Guisasola et al. 2004).
Die Kraft, die ein Magnetfeld auf bewegte Ladungen ausĂŒbt, heiĂt ___.
ErklÀrung: Die Lorentzkraft ist nach Hendrik Antoon Lorentz benannt. Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung und zur Feldrichtung.
Ein zweifach positiv geladenes Ion (q = 2e = 3,2·10â»Âčâč C) bewegt sich mit v = 10â¶ m/s senkrecht zu einem Magnetfeld mit B = 0,5 T. Berechne den Betrag der Lorentzkraft. Antwort in 10â»ÂčÂł N.
ErklĂ€rung: F = q·v·B = 3,2·10â»Âčâč C · 10â¶ m/s · 0,5 T = 1,6·10â»ÂčÂł N. Die doppelte Ladung bedeutet die doppelte Kraft gegenĂŒber einem einfach geladenen Ion.
Ein anfangs ruhendes Elektron wird von einem homogenen Magnetfeld in Bewegung gesetzt.
ErklĂ€rung: Falsch! FĂŒr v = 0 ist die Lorentzkraft F = q·v·B null â das Elektron bleibt in Ruhe. Anders im elektrischen Feld: Dort wirkt F = q·E auch auf ruhende Ladungen. Die Erwartung einer Kraft auf ruhende Ladungen ist ein typischer Fehler (Guisasola et al. 2004).
Ein Proton fliegt horizontal nach Norden, das Magnetfeld zeigt senkrecht nach oben. In welche Richtung wirkt die Lorentzkraft auf das Proton?
ErklĂ€rung: Drei-Finger-Regel der rechten Hand: Daumen nach Norden (Ursache, Bewegungsrichtung der positiven Ladung), Zeigefinger nach oben (Vermittlung, Feldrichtung) â der Mittelfinger (Wirkung) zeigt nach Osten.
Ein Elektron und ein Proton fliegen mit gleicher Geschwindigkeit in dieselbe Richtung durch dasselbe Magnetfeld. Die LorentzkrÀfte auf beide Teilchen zeigen in entgegengesetzte Richtungen.
ErklĂ€rung: Richtig! Das Vorzeichen der Ladung kehrt die Kraftrichtung um â deshalb wendet man fĂŒr Elektronen die linke statt der rechten Hand an. Die BetrĂ€ge sind wegen |q| = e in beiden FĂ€llen gleich.
Die Lorentzkraft steht stets ___ auf der Geschwindigkeit der Ladung und auf den magnetischen Feldlinien.
ErklĂ€rung: Deshalb Ă€ndert die Lorentzkraft nur die Richtung der Bewegung, nie den Betrag der Geschwindigkeit â sie verrichtet keine Arbeit an der Ladung.