Lorentzkraft
Definition
Basiswissen
Die Lorentzkraft im engeren Sinn beschreibt die Kräfte, die ein Magnetfeld auf eine elektrische Ladung ausübt [1]. Das Besondere ist, dass nur bewegte elektrische Ladungen eine Kraft erfahren. Die Lorentzkraft im erweiterten Sinn fasst die elektrostatischen und magnetischen Kräfte zusammen. Beides ist hier kurz erklärt.
Formeln
- F = q·(E + v·B·sinα)
- F = q·(E + vxB)
Legende
- F = z. B. in Newton, die Lorentzkraft
- q = z. B. in Coulomb, die => elektrische Ladung
- E = z. B. in N/C, die => elektrische Feldstärke
- v = z. B. in m/s, die Geschwindigkeit [der Ladung]
- B = z. B. in Tesla, die => magnetische Flussdichte
- α = z. B. in Grad: Winkel zwischen v und B (in Vektoren)
- · = ein übliches => Multiplikationszeichen
- x = das vektorielle => Kreuzprodukt
Sonderfall: es gibt nur ein Magnetfeld
Die Lorentzkraft im engeren Sinn beschrieb früher nur die Wirkung eines Magnetfeldes auf eine elektrische Ladung. Elektrische Ladungen sind zum Beispiel Ionen, Elektronen, Protonen oder Alphateilchen. Immer und nur dann, wenn sich ein elektrisch geladenes Teilchen relativ zu einem Magnetfeld bewegt, wirkt eine Kraft aus der Wechselwirkung zwischen Ladung und Magnetfeld. Die Form für diese reine magnetische Wirkung ist:
- F = q·v·B·sinα
- F = q·vxB
Man verwendet dieselben Formeln wie oben vorgestellt, lässt jedoch das E als Einflussgröße für ein elektrisches Feld weg. In der Schulphysik wird die Lorentzkraft oft nur in dieser Form mit der Magnetwirkung aufgefasst. Man kann präzisierend auch von magnetischer Lorentzkraft sprechen.
Die Kräfte auf bewegte Ladungen im Magnetfeld
Kräfte wirken immer zwischen zwei Körpern mit Masse. Körper meint hier Dinge, die eine Masse (z. B. in Kilogramm) haben. Bei der Lorentzkraft sind die zwei Körper:
- eine Masse mit einer elektrischen Ladung, hier kurz Ladung genannt,
- der Erzeuger eines Magnetfeldes, hier kurz Magnet genannt.
Um die Richtung und die Stärke der Lorentzkraft zu bestimmen, muss man wissen, wie die Magnetfeldlinien aussehen, die der Magnet erzeugt. Weiß man das, kann man folgende Regeln benutzen.
Was macht die magnetische Lorentzkraft stärker?
- Die Kraft ist umso stärker je schneller sich die Ladung durch das Magnetfeld bewegt,
- Die Kraft ist umso stärker je senkrechter sich die Ladung zu den Magnetfeldlinien bewegt,
- Die Kraft ist umso stärker je stärker das Magnetfeld ist,
- Die Kraft ist umso stärker je größer die Ladung ist.
Wann wirkt die magnetische Lorentzkraft nicht?
- wenn sich die Ladung parallel zu den Magnetfeldlinien bewegt,
- wenn sich Ladung und Magnetfeld zueinander nicht bewegen.
- wenn es keine elektrische Netto-Ladung gibt (z. B. normales Holz),
- wenn es kein Magnetfeld gibt.
In welche Richtung wirkt die magnetische Lorentzkraft?
- Für positive Ladungen (Heliumkerne, Protonen) => Lorentzkraft über rechte-Hand-Regel
- Für negative Ladungen (vor allem Elektronen) => Lorentzkraft über linke-Hand-Regel
Übungsaufgaben zur Lorentzkraft
Einige Rechenaufgaben und Verstädnisfragen zur Lorentzkraft sind hier als Quickcheck zusammengestellt. Zu allen Fragen gibt es immer auch eine Antwort. Direkt zu den Aufgaben geht es über => qck
Fußnoten
- [1] Metzler Physik. 5. Auflage. 592 Seiten. Westermann Verlag. 2022. ISBN: 978-3-14-100100-6. (Definiert die Lorentzkraft im engeren Sinn nur in Verbindung mit Magnetfeldern, nicht mit elektrischen Feldern). Seite 237.
