Lorentzkraft

Beim Ørsted-Versuch kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld eines Leiters und dem des Permanentmagneten. Ähnlich ist es in folgender Abbildung. Allerdings ist der Magnet so schwer, dass er sich nicht bewegen kann, wohl aber die Leiterschaukel.

a) Auf eine stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld wirkt eine Kraft, b) Drei-Finger-Regel: Der Daumen zeigt in technische Stromrichtung. Der Zeigefinger zeigt in Richtung des Magnetfeldes, also von N nach S. In diese Richtung würde der Nordpol einer Kompassnadel zeigen. Der Mittelfinger gibt nun die Richtung der Lorentz-Kraft an. FL entspricht dem Kreuzprodukt von I und B.

Wenn Strom fließt, dann bewegt sich die Schaukel bei dieser Anordnung nach außen. Die Kraft, die das bewirkt, nennt man nach dem holländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz die Lorentz-Kraft. Sie steht immer normal zur Bewegungsrichtung der Ladungen und normal zum Magnetfeld. Ihre Richtung kann man mit der Drei-Finger-Regel bestimmen.

Man kann nun im Experiment zeigen, dass die Lorentz-Kraft proportional zur Stromstärke, zur Stärke des Magneten und zur Länge des Leiterstücks im Magnetfeld ist. Wenn der Strom wie hier normal zum Magnetfeld fließt, kann man den Zusammenhang so darstellen:

In der Gleichung für die Lorentz-Kraft kommt die magnetische Induktion B vor. Sie ist ein Maß für die Stärke des Magnetfeldes und somit das Gegenstück zur elektrischen Feldstärke E. Dass man B nicht als magnetische Feldstärke bezeichnet, hat historische Gründe und ist zugegeben etwas verwirrend.

Die Einheit der magnetischen Induktion ist nach dem kroatischen Physiker Nicola Tesla benannt.

• <swv ph:lorentzkraft:aq#polarlicht>Polarlicht</swv>
• <swv ph:lorentzkraft:aq#teilchenbeschleuniger>Teilchenbeschleuniger</swv>

Beim Hufeisenmagneten kann man B bestimmen, wenn man die Kraft auf den Leiter bei bekanntem Stromfluss misst. In der Praxis verwendet man eine andere, handlichere Technik (folgende Abb.), aber das Prinzip bleibt dasselbe: Im Magnetfeld bewegte Ladungen werden durch die Lorentz-Kraft abgelenkt. Die Stärke der Ablenkung ist ein Maß für die Stärke des magnetischen Feldes.

In der Praxis misst man die Magnetfeldstärke mit einer Hall-Sonde. Durch die Ablenkung der Elektronen entsteht zwischen Ober- und Unterkante der Sonde eine Spannung, die Aufschluss über die Stärke des Magnetfeldes gibt. Überprüfe die Ablenkung mit der Drei-Finger-Regel.

In folgender Tabelle siehst du einen Vergleich der Stärke von verschiedenen Magnetfeldern. Das Erdmagnetfeld ist im Vergleich mit einem Permanentmagneten unglaublich schwach (F6).

Einige Magnetfelder im Vergleich

Dass es wesentlich schwächer sein muss, kann man aber ganz einfach belegen: Das Feld eines Permanentmagneten kann man sehr schön mit Eisenspänen darstellen. Wäre das Erdmagnetfeld vergleichbar groß, dann müsste man dieses ja ebenfalls durch das Ausstreuen von Fisensnänpn sichtbar machen können. Obwohl das Erdmagnetfeld so schwach ist, können es zum Beispiel Zugvögel spüren und zur Orientierung nutzen.

Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von etwa 5500 °C. Die Sonnenflecken sind etwa 1500 °C kühler und somit auch dunkler. An diesen Stellen ist das Magnetfeld wesentlich stärker. Zum Größenvergleich ist auch die Erde dargestellt.

Du siehst in der Tabelle auch, dass das Magnetfeld in den Sonnenflecken etwa 30-mal so stark ist wie außerhalb. Neutronensterne haben die mit Abstand stärksten Magnetfelder. Sie sind einige Billionen Mal stärker als das Erdmagnetfeld! Neutronensterne sind ausgebrannte Sterne, die sich auf Grund ihrer eigenen Masse extrem verdichtet haben. Dabei werden die Elektronen in die Kerne gedrückt und verbinden sich mit den Protonen zu Neutronen (und Elektron-Neutrinos werden frei). Dichter gepackt sind nur noch Schwarze Löcher.

• Im Magnetfeld bewegte Ladungen werden durch die Lorentz-Kraft abgelenkt.
• Diese Ablenkung ist ein Maß für die magnetische Induktion B.
• Die Lorentz-Kraft wird z. B. in Teilchenbeschleunigern ausgenutzt.