Ablenkung von Elektronen im Magnetfeld

Mit der Elektronenstrahlröhre lässt sich zeigen, dass Elektronen auch von Magnetfeldern abgelenkt werden. Um das zu demonstrieren, reicht es aus, einen Stabmagneten in die Nähe der Elektronenstrahlröhre zu halten.

Elektronen werden senkrecht zum Magnetfeld abgelenkt

Wenn man mit einem Magneten einen Elektronenstrahl ablenkt, fällt auf, dass die Ablenkung nicht in Richtung oder in Gegenrichtung eines Magnetpols geschieht, sondern immer senkrecht zu den magnetischen Feldlinien.

Es muss also eine Kraft geben, die auf bewegte Elektronen in einem Magnetfeld wirkt, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen und senkrecht zu den Magnetfeldlinien ist. Diese Kraft heißt Lorentzkraft.

Kraft auf stromdurchflossene Leiter

Die Lorentzkraft wirkt auch auf stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld. Dadurch, dass sich in einem stromdurchflossenen Leiter Elektronen längs des Leiters bewegen, wird die Lorentzkraft, die auf die Elektronen wirkt, auf den gesamten Leiter übertragen.

In folgendem Experiment mit einer sogenannten Leiterschaukel wird die Wirkung dieser Kraft durch die Auslenkung eines Leiters gezeigt:

Die Leiterschaukel besteht aus einem an zwei Kabeln befestigtem leitenden Stab (Aluminium), der sich im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten befindet:

Leiterschaukel

Legt man eine Spannung zwischen den beiden Enden des Stabes an, so fließt ein Strom durch den Stab. Es wirkt dann eine Kraft auf den Stab, wodurch dieser ausgelenkt wird.

Je nach Stromrichtung wird der Stab zur einen oder anderen Seite ausgelenkt:

Leiterschaukel3

Leiterschaukel - Auslenkung nach rechts

In beiden Fällen steht das Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung, und die Kraft steht wiederum senkrecht zur Stromrichtung und zum Magnetfeld.

Die Lorentzkraft

In einem Magnetfeld wirkt auf bewegte Ladungen einen Kraft, die sowohl senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungen als auch senkrecht zur Richtung der Magnetfeldlinien steht.

Diese Kraft heißt Lorentzkraft.

Die Richtung der Lorentzkraft

Um die Richtung der Lorentzkraft vorherzusagen, benutzt man die Linke-Hand-Regel:

Dazu hält man Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger der linken Hand so, dass diese jeweils senkrecht zueinander stehen. So lässt sich die Richtung der Lorentzkraft finden:

Linke-Hand-Regel

Mit der Linke-Hand-Regel lässt sich die Richtung der Lorentzkraft vorhersagen:

Zeigt der Daumen in Bewegungsrichtung der Elektronen und der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes, so gibt der abgespreizte Mittelfinger die Richtung der Lorentzkraft an.

Linke oder rechte Hand?

Da es auch positive Ladungsträger gibt und die (technische) Stromrichtung vereinbarungsgemäß von "+" nach "-" verläuft, lässt sich statt der linken Hand auch die rechte Hand verwenden. Der Daumen zeigt dann in die Bewegungsrichtung der positiven Ladungsträger bzw. in technische Stromrichtung.

Die entsprechende Regel heißt demzufolge "Recht-Hand-Regel"

Um nicht durcheinander zu kommen und weil wir es in vielen der folgenden Versuche mit bewegten Elektronen zu tun haben, wird im weiteren Verlauf die Bewegungsrichtung der Elektronen betrachtet und daher die Linke-Hand-Regel verwendet.

Wodurch kommt die Lorentzkraft zustande?

Die Ursache für die Lorentzkraft liegt in einem Phänomen, welches wir bereits kennen:

Um jeden stromdurchflossenen Leiter entsteht ein Magnetfeld:

Magnetfeld um Leiter

Die Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter bilden geschlossene konzentrische Kreise um den Leiter herum. Die Richtung der Feldlinien lässt sich mit der sog. Linke-Faust-Regel finden:

Zeigt der Daumen in Bewegungsrichtung der Elektronen (also entgegen der technischen Stromrichtung), so zeigen die Finger in Richtung der magnetischen Feldlinien.

(Hinweis: Auch hier kann man anstelle der linken die rechte Faust benutzen - der Daumen zeigt dann in technische Stromrichtung, in diesem Beispiel also nach oben.)

Befindet sich nun ein stromdurchflossener Leiter mit seinem Magnetfeld in einem weiteren Magnetfeld, kommt es je nach Magnetfeldrichtung bzw. Stromrichtung zur Anziehung oder Abstoßung. Die entsprechende anziehende bzw. abstoßende Kraft ist die Lorentzkraft.

Dafür ist der Leiter übrigens gar nicht nötig - bewegen sich freie Elektronen in eine Richtung, entsteht auch um den Elektronenstrahl ein derartiges Magnetfeld, und die Elektronen werden demzufolge in einem äußeren Magnetfeld abgelenkt.

Info:

Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms wurde im Jahre 1820 von Hans Christian Ørsted entdeckt. Den sog. Ørsted-Versuch haben wir bereits in Jahrgang 9 kennengelernt.