Lorentzkraft – Definition, Bedeutung und Formel
Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf bewegte Ladungen in einem Magnetfeld senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt. Erfahre, wie sie funktioniert und welche Anwendungen es gibt. Neugierig? Erfahre mehr im folgenden Text!
Inhaltsverzeichnis zum Thema Lorentzkraft
Lorentzkraft im Überblick
Quelle sofatutor.com
Lorentzkraft – Definition
In einem magnetischen Feld wirkt auf einen bewegten Ladungsträger eine Kraft, die senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ladungsträgers steht, die Lorentzkraft. Die Richtung der Kraftwirkung kannst du dir dabei mit der Drei-Finger-Regel herleiten.
Ob du für die Drei-Finger-Regel die linke oder die rechte Hand benutzt, hängt davon ab, welche Ladung der betrachtete Ladungsträger hat oder welche Stromrichtung du betrachtest.
Bei einem negativen Ladungsträger, z. B. einem Elektron, benutzt du die linke Hand. Bei einem positiven Ladungsträger benutzt du die rechte Hand. Wenn du einen stromdurchflossenen Leiter betrachtest, nimmst du die linke Hand für die Stromrichtung von minus nach plus (die sogenannte physikalische Stromrichtung), die rechte Hand für die Stromrichtung von plus nach minus (die sogenannte technische Stromrichtung).
Der Daumen zeigt dann immer in die Bewegungsrichtung des Ladungsträgers bzw. die Stromrichtung, der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfelds (von Nord nach Süd) und der senkrecht dazu abgespreizte Mittelfinger in die Richtung der Lorentzkraft.
Lorentzkraft – Formel
In der Schule betrachten wir meistens den Fall, dass die Richtung der Geschwindigkeit und das Magnetfeld senkrecht zueinander stehen. Dann gilt für die Lorentzkraft folgende Formel:
ist die Ladung des Ladungsträgers, 
seine Geschwindigkeit und 
die sogenannte magnetische Flussdichte, eine physikalische Größe, die die Stärke des Magnetfelds beschreibt.
Dabei steht die Lorentzkraft senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit und senkrecht zum Magnetfeld.
Wie die Geschwindigkeit und die magnetische Flussdichte ist auch die Lorentzkraft ein sogenannter Vektor, also eine physikalische Größe, die nicht nur einen Betrag, sondern auch eine Richtung hat. Vektoren können durch Pfeile dargestellt werden.
Lorentzkraft – Anwendungen
Um die Lorentzkraft auch anschaulich noch ein bisschen besser zu verstehen, sollen im Folgenden noch zwei einfache Experimente zur Lorentzkraft beschrieben werden, die häufig als Aufgaben im Unterricht vorkommen.
Leiterschaukel
Ein bekannter Versuch zur Veranschaulichung der Lorentzkraft, der häufig in der Schule genutzt wird, ist die Leiterschaukel. Diese besteht aus einem Draht, der wie eine Schaukel aufgehängt ist. Das untere Ende der Schaukel, das quasi der Sitzfläche einer richtigen Schaukel entspricht, wird nun in ein Magnetfeld gehängt. Leitet man nun einen Strom entsprechend der Skizze durch den Leiter, kannst du sehen, dass der stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld nach vorne schwingt. Dies liegt daran, dass auf die Ladungsträger im Leiter eine Kraft wirkt, die Lorentzkraft. Da die Ladungsträger den Leiter nicht verlassen können, bewegt sich der Leiter mit ihnen.
In der Skizze zeigen die schwarzen Pfeile in Richtung der technischen Stromrichtung. Wenn du die linke Hand benutzen willst, musst du die schwarzen Pfeile umdrehen.
Freie Elektronen im Magnet
Ein weiteres häufig gezeigtes Experiment ist das Experiment zu freien Elektronen im Magnetfeld. Schießt man freie Elektronen aus einer Elektronenquelle in ein Magnetfeld ein, werden diese durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gezwungen. Dies hat die Ursache darin, dass die Lorentzkraft stets senkrecht zur Bewegungsrichtung zeigt. Die Lorentzkraft wirkt dementsprechend wie eine Zentripetalkraft. Der Radius des Kreises hängt hierbei von der magnetischen Flussdichte, der Geschwindigkeit und dem Masse-Ladungs-Verhältnis ab.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Lorentzkraft
Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf jede bewegte Ladung in einem Magnetfeld wirkt.
Bewegt sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld, wirkt senkrecht zur Bewegungs- und Magnetfeldrichtung eine Kraft. Dies ist die Lorentzkraft. Die Lorentzkraft ist dabei am größten, wenn sich das Teilchen senkrecht zum Magnetfeld bewegt.
Die Lorentzkraft wirkt, sobald sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld bewegt. Auf ruhende Ladungen in einem Magnetfeld wirkt keine Lorentzkraft.
Die Lorentzkraft wird durch die Ladung q, die magnetische Flussdichte B und die Bewegungsgeschwindigkeit v der Ladung beeinflusst.
Die Lorentzkraft hat wie jede Kraft die Einheit Newton:
Die Lorentzkraft sorgt in einem Elektromotor für die Bewegung des Rotors. Die Kraft auf den Rotor kommt dadurch zustande, dass sich die Ladungsträger in der stromdurchflossenen Spule des Rotors bewegen.
Die Lorentzkraft lässt sich mit der Formel berechnen.
Die Lorentzkraft wirkt als Zentripetalkraft zum Beispiel auf ein freies Elektron dadurch, dass die Kraftwirkung auf die Ladung ähnlich wie bei der Zentripetalkraft immer senkrecht zur Flugrichtung wirkt. Die Kraft wirkt damit anschaulich immer zum Mittelpunkt eines Kreises, genau wie die Zentripetalkraft.
Die Rechte-Hand-Regel zeigt dir die Orientierung des Magnetfelds bei einem stromdurchflossenen Leiter an. Der Daumen zeigt in die technische Stromrichtung (von + nach –). Die gekrümmten Finger zeigen dir nun den Drehsinn des Magnetfelds an. Verwendest du die physikalische Stromrichtung (von – nach +), kannst du statt der rechten einfach die linke Hand verwenden.
Die Lorentzkraft ist nach dem niederländischen Physiker und Mathematiker Hendrik Antoon Lorentz benannt.
Die Linke-Hand-Regel benutzt du, sobald ein bewegtes, negativ geladenes Teilchen in einem Magnetfeld vorliegt. Hast du ein positiv geladenes Teilchen, benutzt du die rechte Hand.