Lorentzkraft und die Bestimmung mit der 3-Finger-Regel

Mit der Lorentzkraft wird die Kraft genannt, die beim Zusammenspiel zwischen einem elektrischen Leiter, Bewegung, einem Magnetfeld und elektrischer Spannung auftritt. Die Lorentzkraft ist die Grundlage für die elektromagnetische Induktion bzw. Induktionsspannung. Folgende zwei Phänomen treten beim Zusammenspiel der genannten Elemente auf:

  • Bewegt man einen elektrischen Leiter, z.B. Kupferdraht, in einem Magnetfeld senkrecht zu den Magnetfeldlinien, erzeugt man während der Bewegung elektrische Spannung, die auch Induktionsspannung genannt wird.
  • Lässt man den Kupferdraht im Magnetfeld liegen und setzt diesen dafür unter elektrische Spannung, dann bewegt sich der Kupferdraht.

Dadurch kann man folgende Aussage treffen:

  • Mit Hilfe der Lorentzkraft kann man Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln und genauso umgekehrt elektrische Energie in Bewegungsenergie.

Die Lorentzkraft ist eine wichtige Grundlage der technisierten Welt und wird überall auf der Welt genutzt. Beispielsweise basieren Elektromotoren darauf und nutzen die Möglichkeit zur Umwandlung der elektrischen Energie in Bewegungsenergie (rotierender Motor). In vielen Kraftwerken werden Turbinen durch fossile Brennstoffe angetrieben und die Bewegung der Turbinen wird dafür genutzt, um elektrische Spannung zu erzeugen. Auch Dynamos an Fahrrädern oder Lichtmaschinen in Autos funktionieren nach demselben Prinzip, lediglich in Kleinformat.

Bewegungsrichtung des Leiters und der Elektronen

Folgende Dinge spielen bei der Lorentzkraft eine wichtige Rolle:

  • Die Richtung der Elektronen, wenn man den Leiter bewegt.
  • Die Richtung des Leiters, wenn man es unter Spannung setzt.

Die Standarderklärung, dass die Lorentzkraft immer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungen und den Magnetfeldlinien wirkt, ist insbesondere für jemanden, der sich zum ersten Mal damit beschäftigt, verwirrend. Das hat unter anderem folgende Gründe:

  • Man hat einerseits den Fall, in dem man den Leiter bewegt und Spannung erzeugt und andererseits Spannung vorhanden ist und der Leiter bewegt wird. Daher erzeugt die Lorentzkraft im einem Fall Spannung, im anderen Fall Bewegung.
  • Der Begriff Bewegung kann für die Bewegung der Elektronen und des Leiters verwendet werden.
  • Beim Stromfluss kann man die technische oder physikalische Stromrichtung betrachten.
  • Die senkrechte Kraft zu Magnetfeldlinien und zu Bewegung des Leiters kann zwei Richtungen bedeuten.

Aufgrund der unterschiedlichen Betrachtungsweisen gibt es unterschiedliche Aussagen zu dem Thema. Auf den nachfolgenden Bildern wird gezeigt, wie durch die Lorentzkraft beim Bewegen des Leiters Spannung erzeugt und wie ein Leiter durch Spannung bewegt wird.

Erzeugen von Spannung durch Bewegung des Leiters im Magnetfeld

In einem Hufeisenmagneten wird der elektrische Leiter einmal nach rechts und einmal nach links bewegt. Während der Bewegung nach rechts wandern die Elektronen zum Betrachter. Bei einer Bewegung nach links wandern die Elektronen vom Betrachter weg.

Lorentzkraft bei Bewegung nach rechts
Lorentzkraft bei Bewegung nach links

Erzeugung von Bewegung durch Anlegen einer Spannung

Setzt man den elektrischen Leiter über zwei Schienen unter Spannung, so dass aus der Sicht des Betrachters die vordere Schiene am Minuspol und die hintere Schiene am Pluspol angeschlossen wird, bewegt sich der Stab nach rechts. Vertauscht man Plus- und Minuspol, bewegt sich der Leiter nach links.

Lorentzkraft unter Spannung nach rechts
Lorentzkraft unter Spannung nach links

3-Finger-Regel nach IBF

Um die Richtung der Lorentzkraft zu bestimmen, verwendet man als Hilfsmittel häufig die 3-Finger-Regel. Dabei hält man den Daumen, den Zeigefinger und den Mittelfinger so, dass sie jeweils in einem 90°-Winkel zueinander stehen. Die Verwirrung ist hierbei besonders groß, weil man einmal die linke Hand und einmal die rechte Hand benutzen kann. Auch existieren für die Deutung der Finger verschiedene Varianten.

Die eine Variante ist die IBF-Regel. Wobei I mit dem Daumen die Stromrichtung zeigt, B mit dem Zeigefinger die Richtung der Magnetfeldlinien und F mit dem Mittelfinger die Kraftrichtung. Die Unsicherheit bei der IBF-Regel ist, dass bei der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie (Bewegung eines Leiters) kein Strom im herkömmlichen Sinne fließt, sondern durch eine Ladungstrennung Spannung erzeugt wird und dadurch die Elektronen sich bewegen. Man muss also wissen, was anstelle des fließenden Strom eingesetzt werden muss, Bewegungsrichtung des Leiters, die Bewegung der Elektronen bei der Ladungstrennung oder gar die technische Stromrichtung.

3-Finger-Regel nach UVW

Die verständlichere Variante ist die UVW-Regel. Dabei werden die Finger als Ursache, Vermittlung und Wirkung gedeutet. Hierbei ist es wichtig, welche Hand benutzt wird. Geht man von der Richtung der Elektronen (physikalische Stromrichtung) aus, egal ob bei der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie oder umgekehrt, nimmt man die linke Hand. Geht man von der technischen Stromrichtung aus, nimmt man die rechte Hand. Der Daumen zeigt in Richtung Ursache. Der Zeigefinger die Vermittlung, womit die Richtung der Magnetfeldlinien gemeint ist. Der Mittelfinger zeigt die Lorentzkraft. Die nachfolgende Abbildung zeigt die 3-Finger-Regel nach UVW bei der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie.

3-Finger-Regel nach UVW

Auf dem Bild wird die linke Hand benutzt. Man geht also von der physikalischen Stromrichtung aus. Der Daumen zeigt in Richtung Ursache und das ist die Bewegung des Leiters nach rechts. Der Zeigefinger zeigt in Richtung der Magnetfeldlinien. Der Mittelfinger zeigt die Lorentzkraft. Da hierbei die linke Hand benutzt wird, zeigt die Kraft in Richtung der Elektronenbewegung.

3-Finger-Regel nach UVW bei Umwandlung von Energie in Bewegung

Das Prinzip der 3-Finger-Regel nach UVW bleibt auch bei der Umwandlung von Energie in Bewegungsenergie bestehen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Ursache anders gedeutet und somit die Richtung der Finger dementsprechend geändert werden muss. Denn, die Ursache bei Umwandlung von Energie in Bewegungsenergie ist fließender Strom. Wenn die linke Hand benutzt wird, ist die Ursache somit die Bewegung der Elektronen. Der Daumen muss deshalb in diese Richtung zeigen. Die Richtung des Zeigefingers bleibt bestehen. Der Mittelfinger zeigt in Richtung der Bewegung des Leiters, denn in dem Fall wirkt die Lorentzkraft in diese Richtung.

UVW-Regel bei Umwandlung von Energie in Bewegung

Die Hand auf dem Bild muss man sich leicht im Uhrzeigersinn gedreht vorstellen, so dass der Mittelfinger in die Bewegungsrichtung des Stabs zeigt und der Daumen in Richtung des Elektronenflusses. Merkregel bei dieser Variante ist, dass bei der Betrachtung von Bewegungsenergie in elektrische Energie als Ursache die Bewegung betrachtet werden muss. Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie ist als Ursache, sofern die linke Hand benutzt wird, die Elektronenbewegung zu betrachten. Falls nicht die physikalische, sondern die technische Stromrichtung betrachtet wird, benutzt man die rechte Hand. Die Bedeutung der Finger bleiben dabei bestehen.