Lorentzkraft - Stromwaage - einfach und anschaulich erklärt

In diesem Video geht es um die Lorentzkraft und um die sogenannte Stromwaage. Hier sieht man den Aufbau. Beide Seiten des U-Eisens sind von jeweils einer Spule umgeben, die wiederum in Reihe an ein Netzgerät angeschlossen sind. Eine Leiterschleife wird so in den Spalt eines U-Eisens gebracht, dass sich das untere Leiterstück vollständig im Spalt befindet und senkrecht zum U-Eisen ausgerichtet ist. Die Leiterschleife ist an ein Netzgerät angeschlossen und oben mit einem Kraftmesser verbunden. Man schaltet nun zunächst das Netzgerät für die Spulen an und erhöht die Spannung am Netzgerät, bis durch die Spulen ein Strom mit der Stromstärke von 2 Ampere fließt. Durch den Strom in den Spulen baut sich um die Spulen ein Magnetfeld auf, das dem Magnetfeld eines Stabmagneten ähnelt. Dieses Magnetfeld überträgt sich nun auf das U-Eisen, sodass im U-Eisen ein Magnetfeld aufgebaut wird, das mit der Richtung des Magnetfeldes innerhalb der Spulen übereinstimmt. Das Magnetfeld herrscht auch in der oberen Lücke zwischen den Enden des U-Eisens. Nun wird das Netzgerät für die Leiterschleife eingeschaltet und die Stromstärke auf 2 Ampere erhöht. Nun zeigt der Kraftmesser einen Ausschlag an. Wie kann das sein? Das Magnetfeld, dass das untere Leiterstück durchströmt zeigt in unserem Fall in diese Richtung. Der Strom, der durch das untere Leiterstück fließt zeigt in diese Richtung. Verwendet man die 3-Finger-Regel der linken Hand, erkennt man, dass auf die Elektronen die Lorentzkraft nach unten wirkt. Die Kraft wirkt nun auf den Kraftmesser und deshalb zeigt der Kraftmesser einen Ausschlag. Was passiert, wenn man die Stromstärke, die durch die Leiterschleife fließt, verdoppelt. Verdoppelt man die Stromstärke, verdoppelt sich auch der Ausschlag am Kraftmesser. Die Lorentzkraft FL ist also proportional zur Stromstärke I. Nun halbieren wir die Stromstärke, die durch die Leiterschleife fließt wieder. Was passiert, wenn man die magnetische Flussdichte, die die Leiterschleife durchzieht verdoppelt. Verdoppelt man die Stromstärke, die durch die Spulen fließt, so verdoppelt sich auch die magnetische Flussdichte, die die Leiterschleife durchzieht. Dadurch zeigt der Kraftmesser einen doppelt so straken Ausschlag. Die Lorentzkraft FL ist folglich proportional zur magnetischen Flussdichte B.
Was passiert, wenn man die Länge des unteren Leiterstück halbiert? Halbiert man die Länge, so halbiert sich auch der Ausschlag am Kraftmesser. Die Lorentzkraft FL ist folglich proportional zur Länge L des Leiters, der sich im Magnetfeld befindet.
Die Formel für die Lorentzkraft sieht demnach folgendermaßen aus:
Die Lorentzkraft FL ist gleich der Stromstärke I mal der Länge des Leiters L mal der magnetischen Flussdichte B mal Sinus Alpha. Der Winkel Alpha ist der Winkel, zwischen der Richtung der Magnetfeldlinien und der Richtung, in der die Elektronen fließen. In unserem Fall 90°. Und der Sinus von 90° ist bekanntlich 1.