Magnetische Felder und bewegte Ladungsträger - Lorentzkraft

Einleitung

• Besprechung über die Kräfte auf bewegte Ladungsträger in magnetischen Feldern.
• Experimente mit stromdurchflossenen Leitern in magnetischen Feldern.
• Kraft auf bewegte Ladung in einem elektromagnetischen Feld: F = q * (v x B).

Beobachtung und Experimente

• Einführung eines Experiments, das die Bewegung einzelner Ladungsträger zeigt.
• Verwendung eines Behälters mit einem Edelgas und einer Elektronenkanone.
• Elektronen regen Gas-Moleküle an, die Photonen emittieren und eine Lichtspur erzeugen.
• Elektromagnetisches Feld durch konzentrische Magnetspulen (Helmholtz-Spulen).
• Ablenkung des Elektronenstrahls - Bildung einer Kreisbahn.

Kreisbahn- und Schraubenbahn-Bewegung

• Kreisbahnbewegung durch konstante Kraft senkrecht zur Geschwindigkeit.
• Bei größerem Magnetfeld stärker gekrümmte Kreisbahn.
• Durch Kipppositionierung des Glasbehälters Erzeugung einer Schraubenbahn.

Analogie zur Natur: Polarlichter

• Ladungsträger aus dem Weltraum spiralen entlang der Erdmagnetfeldlinien und erzeugen Polarlichter.
• Erzeugung durch Lorentzkraft, ebenfalls verantwortlich für die Bewegung der Elektronen im Experiment.

Theoretische Grundlagen

• Lorentzkraft-Formel: F = q * (E + v x B).
• Dimensionale Analyse und Bestätigung der Korrektheit der Formel durch Einheitenvergleich.

Praktische Anwendung

• Berechnung der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem homogenen Magnetfeld.
• Transformation der Kraft auf ein Leiterstück dF = I * (dL x B).

Magnetfeld- und Strominteraktionen

• Wechselwirkung zwischen zwei parallelen, stromdurchflossenen Leitern berechnen.
• Verwendung des Ampèreschen Kraftgesetzes zur Bestimmung der Kraft.
• Experimentelle Demonstration der anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen parallelen Leitern.

Definition der Einheit „Ampere“

• Herleitung durch Berechnung der Kraftwirkung zwischen zwei Parallelleitern.
• Definition der Stromstärke durch mechanische Kraftmessung.

Ausblick: Zeitabhängige Felder

• Einführung in zeitabhängige Magnetfelder und ihre Effekte.
• Zeigen einiger grundlegender Experimente zu induzierten Spannungen bei sich ändernden Magnetfeldern.
• Induzierte Spannungen proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfeldes.

Schlussbemerkungen

• Phänomene der elektromagnetischen Induktion als Einführung in zeitabhängige Felder.
• Weiterführende Diskussionen und Experimente für die nächste Sitzung.