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Lorentzkraft: Die Bewegung geladener Teilchen im Magnetfeld

Die Lorentzkraft beschreibt die Kraft, die auf ein elektrisch geladenes Teilchen oder einen Stromleiter wirkt, wenn sie sich in einem Magnetfeld befinden. Sie ist ein zentrales Konzept in der Elektrodynamik und wurde nach dem niederländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928) benannt. Die Lorentzkraft ist verantwortlich für viele grundlegende Phänomene in der Physik und Technik, wie die Funktion von Elektromotoren und Teilchenbeschleunigern.

Formel der Lorentzkraft

Die Lorentzkraft ? auf ein geladenes Teilchen mit der Ladung q, das sich mit der Geschwindigkeit ? in einem Magnetfeld ? bewegt, wird durch folgende Formel beschrieben:

? = q · (? × ?)

Dabei ist:

  • ?: Die Lorentzkraft (in Newton, N)
  • q: Die elektrische Ladung (in Coulomb, C)
  • ?: Die Geschwindigkeit des Teilchens (in Meter pro Sekunde, m/s)
  • ?: Die magnetische Flussdichte (in Tesla, T)

Das Symbol "×" steht für das Kreuzprodukt, das die Richtung der Kraft angibt. Die Richtung der Lorentzkraft ist senkrecht sowohl zur Bewegung (?) des Teilchens als auch zum Magnetfeld (?). Sie kann mit der Rechtshandregel bestimmt werden.

Eigenschaften der Lorentzkraft

  • Richtungsabhängigkeit: Die Kraft wirkt immer senkrecht zur Bewegung und zum Magnetfeld, was häufig zu einer Kreis- oder Spiralbahn des Teilchens führt.
  • Geschwindigkeitsabhängigkeit: Je schneller sich das Teilchen bewegt, desto stärker ist die Lorentzkraft.
  • Keine Arbeit: Die Lorentzkraft verrichtet keine Arbeit am Teilchen, da sie stets senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt. Sie ändert daher nur die Richtung, nicht jedoch die Geschwindigkeit.

Anwendungen der Lorentzkraft

Die Lorentzkraft hat zahlreiche Anwendungen in Wissenschaft und Technik:

  • Elektromotoren: Stromdurchflossene Leiter in Magnetfeldern erfahren durch die Lorentzkraft eine Bewegung, die die Grundlage für den Betrieb von Elektromotoren bildet.
  • Teilchenbeschleuniger: Geladene Teilchen werden durch die Lorentzkraft auf kreisförmigen Bahnen gehalten, wie im Large Hadron Collider (LHC).
  • Magnetfeldsensoren: Geräte wie Hall-Sensoren messen die Lorentzkraft, um die Stärke von Magnetfeldern zu bestimmen.
  • Plasmaphysik: In Fusionsreaktoren wie Tokamaks hilft die Lorentzkraft, das heiße Plasma zu kontrollieren und einzuschließen.

Interessantes über die Lorentzkraft

Wussten Sie, dass die Lorentzkraft in Magnetohydrodynamik-Antrieben, wie sie in einigen modernen Schiffen getestet werden, genutzt wird? Hier wird Wasser ionisiert und durch die Lorentzkraft beschleunigt, was eine nahezu geräuschlose Fortbewegung ermöglicht.

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