Lorentzkraft.

Ph 9 Zfsg Lorentzkraft
→ ElektroMotorik, Induktion
F.SL 10.11.13
Eine bewegte Ladung hat magnetische Eigenschaften – ein sog. magnetsiches Moment.
Vorsicht: sie ist kein „Magnet“ mit Nord- und Südpol wie ein Dauermagnet!
Aber: sie reagiert auf Magnetfelder →
Lorentzkraft.
Wenn sich eine Positive Ladung senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt, erfährt sie eine Kraft
senkrecht zur Bewegung und zum Feld im Sinne der „rechten-Hand-Regel“:
Daumen = Bewegungsrichtung der positiven Ladung (technische Stromrichtung)
Zeigefinger = Magnetfeldrichtung ( N → S )
Mittelfinger = Richtung der Lorentzkraft
EXP: Leiterschaukel
Beachte: die Elektronen bewegen sich entgegengesetzt der technischen Stromrichtung.
Für die rechte Hand-Regel zählt aber die technische Stromrichtung von + nach Anm.: man kann die Kraft auch durch Überlagerung des homogenen U-Magnetfeldes und
des Zylindermagnetfeldes der Leiterschaukel verstehen …
Anwendung: Elektromotor
Eine Spule unter Strom ist ein Magnet mit N- und S-Pol
In einem Magnetfeld dreht sie sich so, dass ihr N-Pol zum S-Pol des Feldes zeigt …
In dieser Stellung würde sie stehen bleiben …
Wird aber in diesem Moment umgepolt (Kommutator), zeigt N-Pol auf N-Pol, die Pole
stoßen sich ab und die Spule dreht sich weiter.
Ein Elektromotor verwandelt elektrische Energie in mechanische.
Wissenschaftlich / technische Anwendung: Ablenken von Ladungen
Beachte: die Lorentzkraft wirkt auf die Ladungen auch ohne Leiter !
Bewegt sich eine Ladung senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld, wirkt im Sinne der
rechten-Hand-Regel die Lorentzkraft: die Ladung fliegt eine Kreisbahn.
Bewegt sie sich parallel, tritt diese Kraft nicht auf.
Tritt die Ladung schräg in das Feld ein, fliegt sie eine Spirale.
Ist das Feld inhomogen, zieht sich die Spirale zusammen, bis die Ladung umkehrt: Spiegel!
Zyklotron (Fadenstrahlrohr) und Synchrotron (CERN)
Wirkt auf einen Körper in jedem Moment eine Kraft senkrecht zu seiner Bewegung, so
beschreibt er eine Kreisbahn (z.B. der Mond auf seiner Bahn)
Die Lorentzkraft hat diese Eigenschaft!
Fliegt also eine Ladung senkrecht in ein homogenes Magnetfeld, wird sie auf eine Kreisbahn
gelenkt (solange sie in diesem Feld ist).
Zyklotron: wird die Ladung bei jedem Umlauf beschleunigt, wird sie schneller und der
Bahnradius größer: das Teilchen fliegt eine ebene Spirale.
Synchtrotron ( CERN ): erhöht man mit dem Beschleunigen die Magnetfeldstärke, bleibt das
Teilchen auf einer Kreisbahn
Der Sinn: man lässt Teilchen mit extrem hoher Geschwindigkeit aufeinander oder auf Atome
prallen (Targets) und kann damit grundlegende Fragen des Aufbaus der Materie angehen …
Nordlicht (am Nordpol) = Aurora borealis , Südlicht (am Südpol) = aurora australis
Die Sonne strahlt neben Licht insbesondere schnelle Protonen ab (500 km/s)
Diese bewegten Ladungen haben magnetische Eigenschaften, deformieren damit das
Erdmagnetfeld und werden selber vom Erdmagnetfeld abgelenkt und in zwei Ladungszonen
um die Erde (van Allen-Gürtel in 15000 bis 25000 km Höhe) gefangen.
Das Erdmagnetfeld lenkt sie an den Polen in diese Gürtel.
Dabei treffen sie mit hoher Geschwindigkeit auf Luftmoleküle und regen sie durch Stöße zu
sog. Quantensprüngen an: die Atome verändern sprunghaft ihre Energie, und fallen
Sekundenbruchteile danach wieder in den alten Zustand zurück. Die Energie geben sie als
Lichtteilchen (Photon) wieder ab: das ist das Nordlicht.
Da das Erdmagnetfeld inhomogen ist, beschreiben die Protonen sich verengende
Spiralbahnen, werden (s.o.) zurückgeworfen und in die Ladungsgürtel geschleudert.
Beachte am Rande: die magnetischen Pole liegen hunderte Kilometer abseits der
geografischen (Austrittsstellen der gedachten Erddrehachse) und bewegen sich ständig.
Die Protonen bleiben in den Ladungsgürteln gefangen, fliegen ständig spiralisierend
zwischen den Polen hin und her.
Man darf diese Gürtel nicht durchfliegen: Lebensgefahr, Zerstören von Satelliten
Anm.: die ISS fliegt nur in 300 km Höhe, aber einige Satelliten kreisen in 30 000 km Höhe
…
Technische Anwendung ( Oszilloskop, veralteter Röhren-Fernseher):
Elektronenstrahlröhre = Brown´sche Röhre
Ein glühender Heizdraht setzt Elektronen
frei (Elektronenwolke u den Draht).
Die Elektronen werden vom negativen Pol
(Kathode) abgestoßen und vom positiven
(Anode) angezogen, also beschleunigt.
Da sie sich untereinander abstoßen, wird
der Elektronenstrahl durch einen geladenen
Zylinder (Wehneltzylinder) gebündelt.
Dann durchqueren die Elektronen ein
steuerbares Magnetfeld, in dem sie nach
Bedarf abgelenkt werden.
Sie treffen auf einen Leuchtschirm und
erzeugen dort einen Lichtpunkt.
Durch geeigentes schnelles Ablenken kann
man für das Auge ein Gesamtbild
erzeugen.
Induktion
die Umkehrung der Elektromotorik:
Bei der EM erfährt die bewegte Ladung (Strom) die Lorentzkraft und bewegt den Leiter mit.
Bei der Induktion schiebt man mittels der Lorentzkraft die Ladungen durch den Leiter.
EXP: Leiterschaukel
Entscheidend: es ist egal, ob man das Magneten oder den Leiter bewegt!
Bewegen sich Leiterschaukel und Magnet relativ zueinander, werden bei geignetem
Arrangement die Elektronen durch den Leiter geschoben:
Spannung / Strom
Jetzt wird´s spannend:
Natürlich kann man statt der Schaukel eine Spule (viele „Schaukeln“) und statt des
U-Magneten einen Elektromagneten nehmen …
Wenn man also eine Stromspule (ein Elektromagnet, sog. Primärspule) relativ zu einer
anderen (Induktionsspule, Sekundärspule) geeignet bewegt, erhält man in der Sekundärspule
einen Strom (und wenn der Stromkreis offen ist, nur eine Spannung).
Und jetzt wird´s kriminell:
Anstatt die Primärspule zu bewegen, kann man einfach ihr Magnetfeld ändern, indem man
den Primärstrom ändert.
Induktion:
Ändert sich in einer Spule ein irgendwie erzeugtes externes Magnetfeld – egal wie und
warum, so treten Lorentzkräfte auf, die in dieser Spule einen Strom erzeugen.
Den Vorgang nennt man Induktion (Generatorprinzip)
Wichtig: nur wenn und während sich das Magnetfeld ändert.
Das kann man auf viele Arten erreichen!
Egal, wie man´s macht: man hat einen Generator
Ein Generator verwandelt per Induktion mechanische Energie in
elektrische.
Ein primitiver prinzipieller Elektromotor ist also genauso gut ein
Generator.
Schickt man Strom durch die Drehspule, dreht er sich.
Dreht man die Drehspule, entsteht in ihr Wechselspannung
Vorsicht: ein Generator erzeugt stets Wechselstrom (weil sich das Magnetfeld ja periodisch
ändern muss). Diesen kann man aber „gleichrichten“
Kraftwerke:
Wasserkraftwerke benutzen die Strömungsleistung des Wassers, um eine Turbine zu drehen,
die eine Spule in einem Magnetfeld dreht und damit per Induktion Strom erzeugt.
Alle anderen Kraftwerke (Kohle, Öl, Gas, AKWs) erzeugen letztlich nur heißen
Wasserdampf, der eine Dampfturbine dreht, die eine Spule in einem Magnetfeld dreht und
damit in dieser Spule Strom erzeugt.
Elektrische Energie ist sauber, flexibel, transportierbar, speicherbar … na ja …