Lorentz-Kraft
Englisch: Lorentz force
Kraft, die auf ein geladenes Teilchen in einem elektromagnetischen Feld wirkt.
Lorentz-Kraft: warum sich geladene Teilchen in Magnetfeldern krümmen
Wenn ein geladenes Teilchen sich durch ein Magnetfeld bewegt, erfährt es einen seitlichen Stoß senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung und zur Feldrichtung selbst. Dieser Stoß ist die Lorentz-Kraft, und sie ist der grundlegende Mechanismus hinter Elektromotoren, Teilchenbeschleunigern und magnetischen Fokussierungssystemen. Die Kraft existiert nicht, wenn das Teilchen stillsteht, auch nicht wenn es parallel zu den Feldlinien bewegt, sondern entsteht nur, wenn Geschwindigkeit und Feld eine senkrechte Komponente zueinander haben.
Die Größe dieser Kraft ist proportional zu drei Faktoren: der Ladung des Teilchens (q, gemessen in Coulomb), der Stärke des Magnetfeldes (B, in Tesla) und der Komponente der Geschwindigkeit senkrecht zu diesem Feld (v sin θ). Die resultierende Formel F = qvB sin θ ist eine der direktesten Beziehungen in der Elektromagnetik. Ein Elektron, das sich mit 1 Million Meter pro Sekunde durch ein 1-Tesla-Feld bewegt, erfährt eine Kraft von etwa 1,6 × 10^-13 Newton, winzig im absoluten Maßstab, aber entscheidend für die Flugbahn des Elektrons auch über kurze Distanzen.
Wo das in der Praxis zählt
In einem Gleichstrommotor fließt Strom durch Spulen in einem Magnetfeld, und die Lorentz-Kraft auf jedes stromführende Drahtsegment erzeugt Drehmoment. In einer Vakuumröhre oder Kathodenstrahloszilloskop lenken magnetische Ablenkspulen mit dieser Kraft Elektronenstrahlen mit Mikrometergenauigkeit auf Schirme. Teilchenbeschleuniger in der Physik verlassen sich darauf, um Protonen- oder Elektronenstrahlen ohne physische Schiene entlang kreisförmiger oder gekrümmter Pfade zu biegen. Hall-Effekt-Sensoren nutzen das, um Magnetfeldstärke zu messen, indem sie die seitliche Ansammlung von Ladungsträgern in einem stromführenden Leiter erfassen, der in einem Feld platziert ist.
Die Kraft kann auch unerwünschte Effekte verursachen. In hochstromigen Leitern, die Streumagnetfeldern ausgesetzt sind, kann die Lorentz-Kraft mechanische Spannungen im Draht erzeugen oder ihn zum Bewegen bringen; große Leistungstransformatoren und Übertragungskabel müssen verstärkt werden, um diese Kräfte bei Fehlern zu ertragen. Kosmische Strahlungsteilchen, die sich durch Erdmagnetfeld bewegen, werden durch denselben Mechanismus abgelenkt und erzeugen die Polarlichter in der Nähe der Pole.
Der Begriff ehrt den niederländischen Physiker Hendrik Lorentz, der die Beziehung in den 1890er Jahren formalisiert hat. Die Kraft wird oft als Lorentz-Kraft-Gesetz bezeichnet, wenn sie als Teil der vollständigen Beschreibung angegeben wird, wie elektrische und magnetische Felder mit Ladungen und Strömen wechselwirken, doch in der modernen Physik ergibt sich die Lorentz-Kraft natürlich aus der Geometrie der Raumzeit unter Relativität, was sie fundamentaler macht als die Maxwell-Gleichungen, von denen sie historisch abgeleitet wurde.