Die Lorentzkraft und ihre Anwendung in Antriebstechnik und Wissenschaft



  • Titel: Die Lorentzkraft und ihre Anwendung in Antriebstechnik und Wissenschaft
  • Autor: Tim J. Peters
  • Beschreibung: Eine Facharbeit/Referat über die Lorentzkraft
    und ihre Anwendungen in Antriebstechnik und Wissenschaft.
  • Download Link: Nicht vorhanden
  • Mit einem "Gefällt mir" oder "+1" unterstützt du diesen kostenlosen Service!
                        


Die Lorentzkraft
und ihre Anwendung in Antriebstechnik und Wissenschaft.

Von Tim J. Peters

Was ist die Lorentzkraft?


Die Lorentzkraft, benannt nach dem niederländischen Mathematiker und Physiker Hendrik
Antoon Lorentz ist die Kraft, die immer wenn ein Magnetfeld auf einen elektrischen Stromfluss,
also auf bewegte Ladungen stößt, den durchflossenen Körper oder die Ladung selbst orthogonal
zu Magnetfeld und Stromflussrichtung bewegt.
Wichtig ist hierbei, dass positive und negative Ladung in unterschiedliche Richtungen
abgelenkt werden. Entscheidend ist aber meist die Ablenkung der positiven Ladung.
Am besten lässt sich die Kraft anhand des Leiterschaukel-Versuchs
darstellen. Hierbei wird eine nicht magnetische Hälfte eines
beweglichen Stromkreises (Leiterschaukel) zwischen den beiden
Polen eines Hufeisenmagneten angebracht. Lässt man nun Strom
durch die Leiterschaukel fließen, bewegt sich diese in orthogonaler
Richtung zum Magnetfeld.
Ändert man die Stromflussrichtung oder vertauscht man die
Magnet-Pole, so ändert sich auch die Richtung der
Auslenkung um 180°.
Die Richtung in der die Lorentzkraft die Ladung beeinflusst,
lässt sich am besten mit Hilfe der Linke- bzw. Rechte-Hand-
Regel bestimmen. Hierbei werden Daumen, Zeige- und
Mittelfinger jeweils im rechten Winkel zueinander abgespreizt
Tim J. Peters – Physik: Lorentzkraft – Klasse 12a, 10/11 Seite 1 von 7
Grafik: http://bbstphysik12.wordpress.com
Grafik: http://schulen.eduhi.at
(siehe Zeichnung). Zeigt nun der Daumen in die Richtung des Stromflusses (von - nach +) und
der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes (von Nord nach Süd) so zeigt der
Mittelfinger der rechten Hand die Richtung der Ablenkung der positiven Ladung an. Wird die
linke Hand benutzt, so zeigt der Mittelfinger die Richtung der Ablenkung der negativen
Ladung an.

Funktion der Lorentzkraft


Die Lorentzkraft lässt sich am besten mit Hilfe der Feldtheorie, insbesondere mit der des
Wirbelfelds erklären. Nach dieser Theorie erzeugt ein Strom
durchflossener Leiter immer ein magnetisches Wirbelfeld
entgegengesetzt dem elektrischen Wirbelfeld (in Flussrichtung
gegen den Uhrzeigersinn). Außerdem entsteht zwischen den
beiden Polen eines Magneten ein magnetisches Feld, das vom
Nord- zum Südpol hin verläuft.
Treffen nun beide Felder aufeinander, so verlaufen Wirbelfeld
und Magnetfeld auf der einen Seite des durchflossenen Leiters parallel, auf der anderen Seite
entgegengesetzt zueinander. Da in der Natur aber immer der Weg des geringsten Widerstands
gesucht wird, drängt die positive Ladung im durchflossenen Leiter nun in die Richtung, in der
beide Felder parallel zueinander verlaufen, kann diese aber, dank der Kreisform des Wirbelfelds
und der Dezentralisierung des magnetischen Felds nicht erreichen. Somit wird der Leiter
solange in die Richtung des geringsten Widerstands bewegt, wie beide Felder existieren. Dieses
Phänomen ist die Lorentzkraft.
Dies erklärt auch warum die Lorentzkraft nicht auftritt, wenn Flussrichtung und Magnetfeld
parallel sind. Dann ist der Widerstand auf allen Seiten des Leiters nämlich gleichgroß, da
Wirbelfeld und Magnetfeld orthogonal zueinander stehen.
Die Lorentzkraft ist dementsprechend am Größten, wenn Magnetfeld und elektrischer Leiter
orthogonal zueinander stehen.
Tim J. Peters – Physik: Lorentzkraft – Klasse 12a, 10/11 Seite 2 von 7
Grafik: Tim J. Peters
Die Stärke der Lorentzkraft ist neben der Richtung des elektrischen Leiters zum Magnetfeld
auch noch von der Geschwindigkeit der geladenen Teilchen, der Stärke der Ladung und der
Stärke des Magnetfelds abhängig. Die Abhängigkeit der Lorentzkraft von diesen Faktoren ist
proportional, wie an der Formel zur Berechnung der Lorentzkraft gut zu erkennen:

Einsatzgebiete


Die Einsatzgebiete der Lorentzkraft lassen sich in zwei Klassen aufteilen. Zum einen wird die
Kraft aktiv genutzt, um beispielsweise etwas in eine bestimmte Richtung zu bewegen, zum
Anderen wird sie zum Nachweis geladener Teilchen benutzt.
Teilchen-Nachweis
Prominentestes Beispiel des Einsatzes der Lorentzkraft zum Nachweis geladener Teilchen ist
wohl der Schattenkreuzversuch. Hierbei ist der Lichtschatten eines Kreuzes auf der einen Seite
eines mit Vakuum gefüllten Gefäßes zu sehen. Erst dadurch, dass sich die Projektion mit Hilfe
eines Magneten, in der Richtung entsprechend der Lorentzkraft verformen lässt, lässt sich
nachweisen, dass es sich bei der Projektion um elektrisch geladene Teilchen handeln muss.
Diese Art der Benutzung der Lorentzkraft kommt vor allem in der Wissenschaft, bzw. in
Schulen und Universitäten zum Einsatz.
Tim J. Peters – Physik: Lorentzkraft – Klasse 12a, 10/11 Seite 3 von 7
F = v * B * q * sin α
F = (Lorentz-)Kraft
v = Geschwindigkeit der Ladung
q = Stärke der Ladung
B = Magnetfeld
α = Winkel zwischen v und B
Formel
Antriebstechnik
Elektromotoren
Elektromotoren sind ein gutes Beispiel zur Anwendung der Lorentzkraft in Industrie und
Alltag.
Hier das Modell eines Motors, der auf Basis der Lorentzkraft funktioniert:
Gelb eingezeichnet sehen wir den Motorrotor, einen massiven Eisenblock. Halbkreisförmig um
diesen herum aufgebaut, sind die beiden Pole eines Permanentmagneten (grün und rot). An
den Rändern des Motorrotors ist ein isolierter Gleichstrom-Stromkreis eingelassen (hier blau
gekennzeichnet).
Fließt nun Strom durch den Stromkreis, wirkt, wie mit der Rechte-Hand-Regel leicht zu
bestimmen auf dessen oberer Hälfte die Lorentzkraft nach rechts und auf der unteren Hälfte
nach links. Dadurch beginnt der Motorrotor sich zu drehen.
Da die Richtung der Lorentzkraft konstant ist, die Bewegungsrichtung sich aber mit
fortschreiten der Drehung verschiebt, nimmt die Kraft der Drehung (Drehmoment) immer
mehr ab, bis sie bei 90° schließlich bei 0 liegt, da die Lorentzkraft nun entgegengesetzt zur
Richtung des nächsten Halbkreises liegt. Daher muss die Flussrichtung an der Stelle +-90°
umgekehrt werden. Dies führt auch zur Umkehrung der Lorentzkraft und somit zur
Weiterdrehung des Motorrotors.
Tim J. Peters – Physik: Lorentzkraft – Klasse 12a, 10/11 Seite 4 von 7
Grafik: http://mitglied.multimania.de
Diese Motorart hat den Nachteil, dass die Kraft der Drehung an zwei Stellen (oben und unten)
am größten ist und (um 90° versetzt dazu) an zwei Stellen auf der Kreisbahn gleich 0 ist – der
Motorrotor sich also zeitweise nur durch seine Trägheit dreht.
Um einen konstanten und damit angenehmeren Motorrundlauf zu erzeugen, wurde der
vielpolpaarige GS-Motoren entwickelt. Hier ist um 90° versetzt ein zweiter Stromkreis in den
Motorrotor eingebaut. Durch die Phasenverschiebung der beiden Stromkreise, ist der
Drehmoment des einen immer dann am größten, wenn der des Anderen am kleinsten ist. Dies
führt zu einem wesentlich gleichmäßigeren Motorrundlauf.
Für beide Varianten gibt es auch Pendants die mit Wechselstrom funktionieren. Hierbei wird
ein Doppelschleifenringsystem benutzt. Außerdem muss der Motor die Frequenz des
Wechselstroms übernehmen.
Motoren dieser Bauart finden in vielen Maschinen (Industrie), sowie zur Fortbewegung ihren
Einsatz.
Magnetohydrodynamischer Antrieb
Der Magnetohydrodynamischer Antrieb (MHA) beschreibt eine Technik, bei der Wasser mit
Hilfe eines magnetischen und eines elektrischen Feldes bewegt wird. Hierbei wird zunächst,
senkrecht zur Fortbewegungsrichtung ein elektrisches Feld
erzeugt. Orthogonal dazu entsteht ein Magnetfeld. Das
elektrische Feld regt nun das Wasser zur Elektrolyse an, die
wiederum Ladung entlang des elektrischen Feldes aufbaut.
Diese Ladung (im Wasser) wird nun, dank dem
magnetischen Feld, durch die Lorentzkraft entgegengesetzt
zur Fortbewegungsrichtung bewegt. Dadurch entsteht
Vortrieb.
Die Technik wurde von verschiedenen Herstellern intensiv getestet, stellte sich neben
zahlreichen Fehlfunktionen aber allein wegen des immensen Stromverbrauchs als unrentabel da.
Tim J. Peters – Physik: Lorentzkraft – Klasse 12a, 10/11 Seite 5 von 7
MHZ-Erprobungsträger Yamato 1
Grafik: Mugu-shisai
Ein Vorteil im Gegensatz zu konventionellen Antriebstechniken ist die Geräuschlosigkeit des
Magnetohydrodynamischer Antrieb, da hierbei keine sich bewegenden Teile benutzt werden.
Analog zum Magnetohydrodynamischer Antrieb gibt es den Magnetoplasmadynamische
Antrieb, der den nahezu gleichen Prozess mit Plasma als Medium beschreibt. Diese Technik
soll zukünftig seine Anwendung in der Raumfahrt finden.
Teilchenbeschleuniger
Die Lorentzkraft wird von Teilchenbeschleunigern, wie beispielsweise dem im CERN oder dem
LHC bei Darmstadt dazu benutzt, die beschleunigten Ladungsteilchen auf der Kreisbahn des
Beschleunigers zu halten. Hierbei wird mit extrem leistungsstarken Elektromagneten, die um
den Beschleuniger-Ring verteilt sind ein Magnetfeld erzeugt, welches die Ladungen
entsprechend der Lorentzkraft ablenkt.
Schwierig ist dieser Prozess deswegen, weil die Stärke des Magnetfelds analog zu
Geschwindigkeit der Ladungsteilchen ansteigen muss, damit diese auf der Kreisbahn bleiben.
Fazit
Die Lorentzkraft umgibt uns sowohl im Alltag als auch in Forschung und Entwicklung. Damit
ist sie Helfer für Industrie und Endverbraucher, aber auch für Forscher und Wissenschaftler zur
Einordnung von Ladungsteilchen.
Auch wenn die Lorentzkraft auch heute schon in vielerlei Richtungen einsetzbar ist, so halte ich
es für möglich, dass sich ihr wahres Potential erst in der Zukunft zeigen wird – Sei es in neuen
Antriebstechniken, in der Wissenschaft oder gar in der Medizin.
Tim J. Peters – Physik: Lorentzkraft – Klasse 12a, 10/11 Seite 6 von 7
Quellen
http://www.leifiphysik.de/web_ph10/grundwissen/10uvw2/uvw2.htm
http://www.physikerboard.de/topic,17453,-magnetohydrodynamischer-antrieb.html
http://www.ulfkonrad.de/physik/ph-10-lorentz.htm
http://www.cite-sciences.fr/francais/web_cite/experime/citelab/fs_lab.htm
http://www.walter-fendt.de/ph14d/lorentzkraft.htm
http://mitglied.multimania.de/Autoelektrik/Eeaa.htm
http://www.wer-weiss-was.de/theme50/article5610230.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamischer_Antrieb
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetoplasmadynamischer_Antrieb
Bildquellen sind unter den Bildern selbst zu finden.
Tim J. Peters – Physik: Lorentzkraft – Klasse 12a, 10/11 Seite 7 von 7

Kommentare




 

Wir konnten helfen? Bitte klick 'Gefällt mir'

Ein 'Gefällt mir' kostet dich keine 2 Sekunden! Uns aber hilft es enorm, da wir bekannter werden.

Benutzt auch unser Forum zur Hausaufgabenhilfe!

!! AUFRUF !! Helft mit!!!

Wir wissen, dass ihr vermutlich nur hier seid, um "eure Hausaufgabe" zu finden. Doch bevor ihr wieder in die Weiten des Internets verschwindet, denkt darüber nach, ob ihr nicht auch einen Teil eures Wissens an Hausaufgabenweb spendet.

Ihr habt bestimmt irgendwelche Vorträge oder Hausaufgaben auf eurer Festplatte, die sinnlos vor sich hin vegetieren. Nichts geht schneller als durch unser Formular Hausaufgaben einzusenden!

Bitte investiert1-2 Minuten um allen Schülern Deutschlands einen Gefallen zu tun! Danke.