Lorentzkraft (qualitativ)
Auf dem Weg von der Sonne zur Erde rasen geladene Teilchen durch den Weltraum. Trotzdem erreichen die meisten nie den Boden, und nur nahe den Polen leuchtet manchmal der Himmel. Warum? Die Antwort ist eine Kraft, die nur auf bewegte Ladungen wirkt: die Lorentzkraft.
Eine Kraft auf bewegte Ladungen
Ein Magnet zieht Eisen an. Auf ein ruhendes geladenes Teilchen wirkt er aber nicht. Erst wenn sich die Ladung bewegt, entsteht eine Kraft.
Ein bekannter Versuch ist die Fadenstrahlröhre oder die Elektronenstrahlröhre. Ein Elektronenstrahl läuft geradeaus. Hältst du einen Hufeisenmagneten so daneben, dass das Magnetfeld senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen steht, biegt sich der Strahl zur Seite und läuft auf einer Kreisbahn.
Die Kraft zeigt immer zur Seite, nie nach vorn oder hinten. Deshalb wird das Teilchen nicht schneller oder langsamer, sondern ändert nur seine Richtung.
Warum bleibt der Betrag der Geschwindigkeit gleich? Eine Kraft senkrecht zur Bewegung verrichtet keine Arbeit: Sie schiebt das Teilchen nicht in Bewegungsrichtung vor oder bremst es. Die Bewegungsenergie bleibt gleich. Das Teilchen läuft auf einer Kreisbahn, wenn das Feld senkrecht zur Bewegung steht.
Was versteht man unter der Lorentzkraft? Beschreibe in einem Satz.
Was versteht man unter der Lorentzkraft? Beschreibe in einem Satz.
Ein Elektronenstrahl läuft zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten hindurch. Was passiert mit dem Strahl?
Ein Elektronenstrahl läuft zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten hindurch. Was passiert mit dem Strahl?
Ein Elektronenstrahl bewegt sich in einer Röhre von links nach rechts. Ein Magnet erzeugt ein Feld senkrecht zur Zeichenebene. a) Erkläre, warum der Strahl abgelenkt…
Ein Elektronenstrahl bewegt sich in einer Röhre von links nach rechts. Ein Magnet erzeugt ein Feld senkrecht zur Zeichenebene.
- a) Erkläre, warum der Strahl abgelenkt wird.
- b) Warum ändert die Lorentzkraft die Geschwindigkeit nicht, sondern nur die Richtung?
Richtung der Ablenkung
In welche Richtung wird abgelenkt? Das hängt von drei Dingen ab: der Bewegungsrichtung, der Richtung des Magnetfelds und dem Vorzeichen der Ladung.
Eine Hilfe ist die Drei-Finger-Regel (UVW-Regel): Daumen = Ursache (Bewegungsrichtung der Ladung), Zeigefinger = Vermittlung (Magnetfeld, von Nord nach Süd), Mittelfinger = Wirkung (Kraft). Für Elektronen nimmst du die linke Hand und hältst den Daumen in die Bewegungsrichtung der Elektronen. Für positive Ladungen (und die technische Stromrichtung von Plus nach Minus) nimmst du die rechte Hand. Wichtig ist hier das Prinzip: Umkehren einer Größe kehrt die Ablenkung um.
Wie ändert sich die Ablenkung eines Elektronenstrahls, wenn man die Polung des Magneten vertauscht?
Wie ändert sich die Ablenkung eines Elektronenstrahls, wenn man die Polung des Magneten vertauscht?
Das Magnetfeld der Erde lenkt geladene Teilchen des Sonnenwinds ab. Dadurch entstehen Polarlichter. a) Beschreibe, warum die meisten Teilchen die Erdoberfläche nicht…
Das Magnetfeld der Erde lenkt geladene Teilchen des Sonnenwinds ab. Dadurch entstehen Polarlichter.
- a) Beschreibe, warum die meisten Teilchen die Erdoberfläche nicht erreichen.
- b) Warum treten Polarlichter vor allem in Polnähe auf?
Strom im Magnetfeld und Anwendungen
Ein Strom ist nichts anderes als bewegte Ladung. Ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld erfährt deshalb eine Kraft: Auf jedes bewegte Elektron im Draht wirkt die Lorentzkraft, und die Elektronen übertragen sie auf den Draht.
Das nutzt man technisch:
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Elektromotor: Eine Spule im Magnetfeld wird von der Kraft gedreht, ein Kommutator kehrt den Strom rechtzeitig um.
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Lautsprecher: Die Kraft auf eine Spule im Magnetfeld bewegt die Membran.
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Elektronenstrahlröhre (Braunsche Röhre): Elektronen werden elektrisch oder magnetisch abgelenkt und schreiben ein Bild.
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Teilchenbeschleuniger: Magnete halten schnelle Teilchen auf einer Kreisbahn.
Ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld erfährt eine Kraft. Erkläre dies mit der Lorentzkraft auf die bewegten Ladungsträger und nenne drei Anwendungen (z. B.…
Ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld erfährt eine Kraft. Erkläre dies mit der Lorentzkraft auf die bewegten Ladungsträger und nenne drei Anwendungen (z. B. Elektromotor).
Erkläre, warum man eine Braunsche Röhre mit magnetischer Ablenkung betreiben kann, und beschreibe, wie ein Bild entstehen könnte. Gehe dabei auf Vor- und Nachteile…
Erkläre, warum man eine Braunsche Röhre mit magnetischer Ablenkung betreiben kann, und beschreibe, wie ein Bild entstehen könnte. Gehe dabei auf Vor- und Nachteile gegenüber elektrischer Ablenkung ein.
Spuren in der Nebelkammer und Störungen
In einer Nebelkammer hinterlassen geladene Teilchen sichtbare Spuren. Legt man ein Magnetfeld an, werden die Spuren gekrümmt.
Dieselbe Physik erklärt, warum ein Magnet ein altes Röhrenfernsehgerät stört. Die Elektronen werden durch das fremde Feld abgelenkt und treffen die falschen Leuchtpunkte. Das Bild verzerrt sich und bekommt falsche Farben. Bleibt der Magnet in der Nähe, kann sich auch die Lochmaske im Gerät magnetisieren. Dann bleibt die Verfärbung dauerhaft. Darum hält man Magnete von Bildröhren fern.
In einer Nebelkammer mit Magnetfeld werden Teilchenspuren sichtbar. Zwei Teilchen, die mit gleicher Geschwindigkeit in gleicher Richtung in das Magnetfeld eintreten,…
In einer Nebelkammer mit Magnetfeld werden Teilchenspuren sichtbar. Zwei Teilchen, die mit gleicher Geschwindigkeit in gleicher Richtung in das Magnetfeld eintreten, krümmen sich in entgegengesetzte Richtungen, eine Spur ist stärker gekrümmt.
- a) Was folgt daraus für die Ladungsvorzeichen?
- b) Wie könnte man die stärkere Krümmung erklären?
- c) Was würde man bei einem ungeladenen Teilchen beobachten?
Ein Magnet wird in die Nähe eines alten Röhrenfernsehers gehalten, das Bild verzerrt sich farbig; teilweise bleiben auch nach dem Entfernen des Magneten Farbflecken…
Ein Magnet wird in die Nähe eines alten Röhrenfernsehers gehalten, das Bild verzerrt sich farbig; teilweise bleiben auch nach dem Entfernen des Magneten Farbflecken zurück.
- a) Erkläre die Verzerrung.
- b) Begründe, warum man Magnete von solchen Geräten fernhalten soll.
Zurück zum Anfang: Das Erdmagnetfeld lenkt die geladenen Teilchen des Sonnenwinds ab. Nur in Polnähe laufen sie an den Feldlinien entlang in die Atmosphäre und erzeugen Polarlicht.