Was ist die Lorentzkraft?
Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf ein elektrisch geladenes Teilchen wirkt, wenn es sich in einem elektrischen und/oder magnetischen Feld befindet. Sie ist ein grundlegendes Konzept der Elektrodynamik und erklärt viele physikalische und technische Phänomene, etwa die Funktion von Elektromotoren oder Teilchenbeschleunigern. Benannt ist sie nach dem niederländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz.
Definition
Die Lorentzkraft beschreibt die Wirkung eines Magnetfeldes auf eine bewegte Ladung.
Für den einfachen Fall eines Magnetfeldes gilt: F ⃗= q (v ⃗×B ⃗ )
Dabei bedeuten:
- F ⃗– Lorentzkraft
- q– elektrische Ladung des Teilchens
- v ⃗– Geschwindigkeit des Teilchens
- B ⃗– magnetische Flussdichte (Magnetfeld)
Das Kreuzprodukt zeigt, dass die Kraft immer senkrecht zur Bewegungsrichtung und zum Magnetfeld wirkt.
Betrag der Lorentzkraft
Der Betrag der Kraft hängt zusätzlich vom Winkel zwischen Geschwindigkeit und Magnetfeld ab:
F = q · v · B · sin(α)
α: Winkel zwischen Bewegungsrichtung und Magnetfeld
Die Kraft ist maximal bei 90° und verschwindet, wenn sich das Teilchen parallel zum Magnetfeld bewegt.
Wirkung auf geladene Teilchen
Da die Lorentzkraft immer senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt, ändert sie nicht die Geschwindigkeit des Teilchens, sondern nur dessen Richtung. Ein geladenes Teilchen bewegt sich deshalb im Magnetfeld häufig auf einer Kreis- oder Spiralbahn.
Bedeutung in der Technik
Die Lorentzkraft ist Grundlage vieler technischer Anwendungen, unter anderem:
- Elektromotoren
- Massenspektrometer
- Teilchenbeschleuniger
- Kathodenstrahlröhren
In Elektromotoren wirkt die Lorentzkraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld und erzeugt dadurch eine mechanische Bewegung.
Je stärker das Magnetfeld und je höher der Strom, desto größer die Lorentzkraft. Genau dieses Prinzip nutzt man, um elektrische Energie in Bewegung umzuwandeln.