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SG098 Leiterschaukelversuch

Stromwaage

Lorentz-Kraft

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

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Abb. 1: Bei Stromfluss wird der Leiterbügel im Magnetfeld ausgelenkt (Aufbau mit Cornelsen-Geräten).

Im Foto liegen folgende Richtungen vor:

  • Magnetfeld zwischen den Schenkeln vertikal von unten nach oben
  • Strom im horizontalen Leiterbügel von rechts vorn nach links hinten (Farbwahl der Stecker im Foto irreführend)
  • Kraft nach rechts hinten weiter "in den Magneten hinein"

Die Kraft genügt dabei offenbar der 3-Finger-Regel der Rechten Hand (siehe unten)

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Der Versuch ist die Grundlage für die Funktion eines Elektromotors ("Elektromotorisches Prinzip")

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Abb. 2: Verdeutlichung der verschiedenen Richtungen .

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3-Finger-Regel der rechten Hand:

Maßgeblich ist die Stromrichtung ("technische Stromrichtung"), die nur bei einer positiven Ladung mit der Bewegungsrichtung übereinstimmt. Bei einer negativen Ladung ist sie also entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung.

Der Daumen zeigt in Stromrichtung, der Zeigefinger in Richtung des Magnetfelds B und der Mittelfinger in Richtung der Lorentz-Kraft F.

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Hinweis:

Der Versuch kann auch "umgekehrt" werden:

Durch den Leiterbügel fließt kein externer Strom; stattdessen wird der (im Foto horizontale) Leiterbügel in Pfeilrichtung bewegt. Bei der Deutung des Versuchs muss man vorsichtig sein.

a) Bei im Laborsystem ruhenden Magneten werden Elektronen im Leiter bei seiner Bewegung "mitgerissen" und bilden einen Strom entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung. Es entsteht eine Lorentz-Kraft längs des Leiterbügels, die Elektronen in ihre Richtung verschiebt. Es entsteht ein Induktionsspannung.

b) Wenn sich der Beobachter in den Leiterbügel hineinsetzt, bewegt er sich nicht, schon gar nicht in einem Magnetfeld. Es entsteht keine Lorentz-Kraft. Dennoch kommt es zur Induktion. Das kann verschieden erklärt werden. (1) Innerhalb er Leiterschleife, von der der Leiterbügel ein Teil ist, ändert sich sehr wohl der magnetische Fluss, nämlich dort, wo einer der Schenkel des Magneten die Leiterschleife durchstößt. Änderung des magnetischen Flusses ist das untrügliche Kennzeichen für Induktion. (2) Im Bezugssystem des Leiterbügels ist nicht nur das Magnetfeld B zu beobachten, sondern nach der Relativitätstheorie auch ein elektrisches Feld E. Dieses elektrische Feld verschiebt Elektronen im Leiter in der gleichen Weise wie im Laborsystem (nach Erklärung a).

Wenn Induktion stattfindet, findet man immer ein oder mehrere Bezugssystem, in dem die Induktion mit einer Änderung des magnetischen Flusses verbunden ist.

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( Juni 2014 )