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Elektrische Motoren

 

Die Lorentzkraft

Von zentraler Bedeutung für die Funktion elektrischer Motoren ist der physikalische Effekt, dass elektrische Ladungen, die sich in einem Magnetfeld bewegen, einer Kraftwirkung ausgesetzt sind. Diese Kraft wird als Lorentzkraft bezeichnet. Auf ruhende Ladungen wirkt die Lorentzkraft nicht.
Zwischen der Bewegungsrichtung der elektrischen Ladungen, der Richtung des Magnetfeldes und der auftretenden Kraftwirkung besteht ein definierter Zusammenhang. Alle drei Komponenten stehen im rechten Winkel zueinander. Zur eigenen Verdeutlichung können die einzelnen Richtungen mit den Fingern der rechten Hand (nicht der linken Hand) nachgebildet werden.

 

Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter

Ein stromdurchflossener Leiter ist dadurch gekennzeichnet, dass in seinem Inneren ein Bewegung von negativ geladenen Elektronen stattfindet. Setzt man diesen Leiter nun einem Magnetfeld aus, wirkt auf die Elektronen, die ja bewegte Ladungsträger darstellen, die Lorentzkraft. Die Elektronen übertragen diese Kraftwirkung auf den gesamten Leiter. Im Ergebnis wirkt auf den gesamten stromdurchflossenen Leiter eine Kraft. Unter der Voraussetzung, dass der Leiter gerade ist und sich die auf die einzelnen Elektronen wirkenden Lorentzkräfte nicht gegenseitig aufheben, steht diese Kraft im rechten Winkel zum Leiter. Ist der Leiter mechanisch nicht fixiert, bewegt er sich entsprechend der angreifenden Kraft.

Die folgende Animation verdeutlicht die Zusammenhänge.

 

1. Ein gerader elektrischer Leiter befindet sich in einem Magnetfeld. Ist der Leiter nicht stromdurchflossen (schwarze Färbung), treten keine bewegten Ladungsträger auf und es wirkt keine Lorentzkraft.
2. Wird der Leiter durch Anlegen einer Gleichspannung von einem Strom durchflossen (rote Färbung) sind bewegte Ladungsträger vorhanden, auf die die Lorentzkraft wirkt. Die Ladungsträger übertragen diese Kraft auf den gesamten Leiter, der sich daraufhin in Richtung der wirkenden Kraft bewegt.