Die Lorentzkraft: Eine bewegte Ladung in einem Magnetfeld
1 · Vorhersagen
Ein geladenes Teilchen bewegt sich durch einen gleichmäßigen Magnetfeldbereich. Hängt die darauf wirkende Magnetkraft von der Geschwindigkeit des Teilchens ab oder nur von der Feldstärke?
- Die Kraft hängt nur von der Feldstärke ab, nicht von der Geschwindigkeit.
- Die magnetische Kraft hängt nicht auf einfache Weise von einer der beiden Größen ab.
- Die Kraft hängt sowohl von der Feldstärke als auch von der Geschwindigkeit des Teilchens ab – schnellere Teilchen spüren eine stärkere Magnetkraft.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die qv-cross-b-Preset und drücken Sie Zurücksetzen. Der Feldbereich hat einen festen Bz = 0.12 T; die Prüfladung ist q = 3×10⁻¹⁰ C.
- Aktivieren Sie die Kraft-Größen-Anzeige an der Testladung.
- Stellen Sie die Geschwindigkeitskomponenten der Testladung für jeden Versuch ein und zeichnen Sie die Kraftgröße auf.
3 · Daten sammeln
| Geschwindigkeit x-Komponente v_x (m/s) | Geschwindigkeits-y-Komponente v_y (m/s) | Kraftgröße F (µN) |
|---|---|---|
| 200000.00 | 150000.00 | |
| 100000.00 | 200000.00 | |
| 300000.00 | 0.00 |
Tragen Sie den Kraftbetrag F (y-Achse) gegen die Geschwindigkeit |v| auf = √(v_x² + v_y²) (x-Achse) für Ihre drei Versuche.
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch |F| = |q|·|B|·|v| unter Verwendung von q = 3×10⁻¹⁰ C, B = 0.12 T, |v| = √(v_x² + v_y²). Vergleichen Sie mit der Tabelle.
- Erklären Sie, warum die Größe der magnetischen Kraft von der Gesamtgeschwindigkeit |v| des Teilchens und nicht von der Richtung seiner Geschwindigkeit abhängt – obwohl die Richtung der Kraft davon abhängt, in welche Richtung es sich bewegt.
5 · Vertiefen
- Die magnetische Kraft ist immer senkrecht zur Geschwindigkeit (F = qv×B), kann also die Richtung eines Teilchens ändern, jedoch niemals seine Geschwindigkeit. Erklären Sie, warum ein Magnetfeld allein ein geladenes Teilchen niemals beschleunigen oder verlangsamen, sondern nur lenken kann.
- Ein geladenes Teilchen, das sich senkrecht zu einem gleichmäßigen Magnetfeld bewegt, bewegt sich auf einem Kreis, da die Magnetkraft immer auf den Mittelpunkt des Kreises zeigt. Erklären Sie mit F = qvB, warum ein schnelleres Teilchen im gleichen Feld einen größeren Kreis beschreibt.
Die Physik hinter diesem Experiment
Lorentzkraft (magnetisch)
Eine Ladung q, die sich mit der Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld B bewegt, erfährt eine Kraft F = qv×B, die senkrecht zu ihrer Geschwindigkeit und dem Feld steht. Sein Betrag ist |F| = |q||v||B| wenn v senkrecht zu B steht.