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Lorentzkraft

25. Nov 2008, 21:27
3 Fälle der Bewegung einer Ladung, in einem Magnetfeld, das Senkrecht zur Flugbahn der Teilchen aus der Zeichenebene verläuft: Ein negativ geladenes Teilchen (q<0) wird nach oben, ein positiv geladenes (q>0) nach unten, ein neutrales (q=0) überhaupt nicht abgelenkt.

Die Lorentzkraft ist die Kraft, die das elektromagnetische Feld auf eine elektrische Ladung ausübt. Sie ist nach Hendrik Antoon Lorentz benannt.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Allgemeine Definition

Die Lorentzkraft \boldsymbol F, die auf eine elektrische Ladung q ausgeübt wird, ist (in SI-Einheiten)

\boldsymbol F=q \left(\boldsymbol E + \boldsymbol v \times \boldsymbol B\right).

Dabei ist \boldsymbol E die Elektrische Feldstärke und \boldsymbol B die Magnetische Flussdichte. Das Zeichen \times steht für das Vektorprodukt. Oft wird im engeren Sinn nur der Anteil der Kraft, der vom Magnetfeld bewirkt wird und damit nur auf eine bewegte Ladung ausgeübt wird, q\boldsymbol v \times \boldsymbol B, als Lorentzkraft bezeichnet. Den anderen Teil bezeichnet man dann als Coulombkraft.

Häufig dient die messbare Lorentzkraft der Definition von elektrischem und magnetischem Feld, ausgehend von folgender Behauptung:

Die elektromagnetische Kraft \boldsymbol F, auch genannt Lorentzkraft, auf eine Testladung zu einem gegebenem Ort und einer gegebener Zeit ist eine Funktion abhängig von ihrer Ladung und ihrer Geschwindigkeit. Der funktionelle Zusammenhang kann eindeutig parametrisiert werden durch zwei Vektoren \boldsymbol E und \boldsymbol B und besitzt die oben angegebene Form.

Falls diese empirische Aussage gültig ist (was durch zahlreiche Experimente bestätigt wurde), dann sind die beiden Vektorfelder \boldsymbol E und \boldsymbol B für jeden Ort und jede Zeit definiert. \boldsymbol E(\boldsymbol r, t) nennt man elektrisches Feld und \boldsymbol B(\boldsymbol r, t) magnetisches Feld.

[Bearbeiten] Lorentzkraft auf eine Punktladung

Die vom Magnetfeld verursachte Lorentzkraft steht senkrecht auf den magnetischen Feldlinien und ist senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung. Sie lenkt die Ladung ab, ohne den Betrag ihrer Geschwindigkeit zu verändern. Denn mit Newtons Bewegungsgleichung folgt

\frac{m}{2}\,\frac{\mathrm d \mathbf v^2}{\mathrm d t}= m \mathbf v\cdot\frac{\mathrm d \mathbf v}{\mathrm d t}=\mathbf v\cdot \mathbf F= q \,\mathbf v \cdot \bigl (\mathbf v \times \mathbf B\bigr)=0\,.

Dasselbe Ergebnis gilt auch für relativistische Teilchen.

Da die Lorentzkraft proportional zur elektrischen Ladung ist, werden entgegengesetzt geladene Teilchen gleicher Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtung abgelenkt.

Der Betrag der Lorentzkraft ist

|\mathbf F| = |q| \, |\mathbf v|\,|\mathbf B| \, \sin \alpha\,.

Dabei bezeichnet α den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Teilchens und dem Magnetfeld \mathbf B.

Wenn sich das Teilchen senkrecht zum Magnetfeld bewegt, gilt einfach sinα = 1 und

|\mathbf F| = |q| \, |\mathbf v|\,|\mathbf B|\,.

[Bearbeiten] Lorentzkraft auf einen stromdurchflossenen Leiter

Der elektrische Strom in einem Leiter besteht aus bewegten elektrischen Ladungen. Daher übt das Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Draht eine Kraft aus.

Betrachten wir ein gerades Stück Draht, in dem die Ladungsträger, durch ein elektrisches Feld angetrieben, überall mit gleicher Geschwindigkeit \mathbf{v} in Richtung des Drahtes strömen. Dann durchlaufen sie in der Laufzeit t das Drahtstück

\mathbf{\ell}=\mathbf{v}\,t\,.
Bild:Lorentzkraft-graphic.PNG

Die Gesamtzahl der Ladungen, die in diesem Drahtstück den Strom bewirken, ist

\sum q=I\,t\,.

Denn innerhalb dieser Laufzeit verlassen alle Ladungen das Drahtstück und werden durch nachströmende ersetzt. Dabei bewirken sie den Strom I durch einen Drahtquerschnitt.

Wegen \sum q\, \mathbf{v}=I\,\mathbf{\ell} ist daher die Summe der Lorentzkräfte auf die Ladungen

\mathbf{F}=\sum q\, \mathbf{v}\times \mathbf{B}=I\,\mathbf{\ell}\times \mathbf{B}\,,

falls das Magnetfeld längs des Drahtstücks konstant ist.

Rechte-Hand-Regel

Die entsprechende Betragsgleichung lautet:

|\mathbf{F}|=I\,|\mathbf{\ell}|\,|\mathbf{B}|\,\sin\alpha\,,

wobei α der Winkel zwischen dem Draht und dem Magnetfeld ist.

Die Richtung ergibt sich aus der Rechte-Hand-Regel: zeigt der Daumen in Stromrichtung und der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes, dann zeigt der Mittelfinger in Richtung der Lorentzkraft. Bei der Stromrichtung ist zu beachten, dass sie bei negativen Ladungen in Gegenrichtung der Bewegung zeigt.

Als Eselsbrücke für die Frage, welcher Finger in wessen Richtung zeigt, hilft die Abkürzung FBI. Schaut man auf die Innenfläche der rechten Hand, bei der Daumen, Zeige- und Mittelfinger pistolenähnlich gespreizt sind, und benennt diese Finger im Uhrzeigersinn mit F, B und I, dann zeigt der Finger F in Richtung der Kraft, wenn B in Richtung des Magnetfeldes und I in Richtung des Stromes zeigen.

[Bearbeiten] Wirkungsprinzip

Die Lorentzkraft ergibt sich in der Lagrangeschen Formulierung der Bewegung eines geladenen Teilchens mit Ladung q und Masse m aus der Lagrangefunktion

L(t,\mathbf{x},\mathbf{v}) = -mc^2\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}} - q\,(\Phi + \mathbf{A}\cdot\mathbf{v})\ .

Hierbei sind \Phi(t,\mathbf{x}) und \mathbf{A}(t,\mathbf{x}) das skalare Potential und das Vektorpotential, die zu der elektrischen Feldstärke

\mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{A}}{\partial t} - \mathbf{\nabla} \Phi

und der magnetischen Feldstärke

\mathbf{B} = \mathbf{\nabla}\times\mathbf{A}

gehören.

Das Prinzip der stationären Wirkung führt auf die Euler-Lagrange-Gleichungen

\frac{\mathrm d}{\mathrm dt}\frac{\partial L}{\partial v_i} - \frac{\partial L}{\partial x_i} = 0\ .

Im vorliegenden Fall lauten sie

\frac{\mathrm d\mathbf{p}}{\mathrm dt} = q\,(\mathbf{E}+ \mathbf{v}\times\mathbf{B})\ .

Dabei ist

\mathbf{p} = \frac{m\,\mathbf{v}}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}

der Impuls des Teilchens, das sich mit Geschwindigkeit \mathbf{v} bewegt.

[Bearbeiten] Anwendungen

Technisch angewandt wird die Lorentzkraft im:

Auch die Ablenkung des Sonnenwinds durch das Magnetfeld der Erde beruht auf der Lorentzkraft.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Weblinks

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft“
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