4.5 Die Lorentzkraft Auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt in einem Magnetfeld eine Kraft senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zum Magnetfeld. Die Ursache dieser Kraft liegt in der Bewegung der geladenen Teilchen (Elektronen) im Leiter durch das magnetische Feld. Die Bewegung der geladenen Teilchen durch den Leiter kann jedoch nicht direkt beobachtet werden. Zur Untersuchung der Bewegung von geladenen Teilchen im magnetischen Feld verwendet man deshalb die aus dem Kapitel „Elektrische Felder“ bekannte Kathodenstrahlröhre. In dieser wird ein gebündelter Elektronenstrahl in Richtung eines Leuchtschirms beschleunigt. Die Elektronen können so auch ohne einen Leiter, wie er im vorigen Kapitel erforderlich war beobachtet werden. Bringt man nun die Kathodenstrahlröhre in das homogene Magnetfeld eines Hufeisenmagneten (siehe Zeichnung) so kann beobachtet werden, dass der Elektronenstrahl von seiner geradlinigen Bahn abgelenkt wird. Das Experiment zeigt, dass auf den Elektronenstrahl, also auf freie bewegte Ladungsträger, eine magnetische Kraft wirkt, die senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zur Feldrichtung ausgerichtet ist. Nach dem niederländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) wird sie als Lorentzkraft bezeichnet. Ziel der nachfolgenden Überlegung ist es nun ein Gesetz herzuleiten mit dem die, auf bewegte Ladungsträger im magnetischen Feld wirkende Lorentzkraft berechnet werden kann: Für die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld der Feldstärke © M. Brennscheidt gilt: Dabei ist die, durch den Leiter fließende Stromstärke, gegeben durch mit der Anzahl der Elektronen . Betrachtet man nun einen kurzen Abschnitt des Leiters der Länge so bewegen sich dort die Elektronen mit der Driftgeschwindigkeit durch den Leiter. Durch Erweitern mit ergibt sich für die Stromstärke Für die magnetische Kraft, die auf das Leiterstück der Länge wirkt, erhält man schließlich: Die magnetische Kraft, die also auf ein einzelnes Elektron wirkt beträgt somit: Die Lorentzkraft , die auf ein Teilchen mit der Ladung wirkt, wenn es mit der Geschwindigkeit senkrecht zu den Feldlinien eines Magnetfeldes der Stärke bewegt, beträgt: Da die Lorentzkraft in jedem Moment senkrecht zur Geschwindigkeit Richtung und nicht der Betrag der Geschwindigkeit. wirkt, ändert sich nur die Zusammenfassend lässt sich sagen, dass elektrische Ladungen in der Regel in elektrischen Feldern mit der elektrischen Kraft beschleunigt und in Magnetfeldern mit der magnetischen Kraft abgelenkt werden können. © M. Brennscheidt