Physik Realschule Bayern › Elektrizitätslehre › Jahrgangsstufe 9
Lorentzkraft, UVW-Regel und Elektromotor
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 9 · Bayern · Teilbereich Elektrizitätslehre
Im Lernbereich Elektrizitätslehre der 9. Jahrgangsstufe beschreiben Lernende die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld, bestimmen ihre Richtung mit der UVW-Regel der linken Hand und erklären den Aufbau des Elektromotors. Dieses Prinzip steht auch hinter Lautsprecher und Drehspulmessgerät.
Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter
Legt man einen stromdurchflossenen Leiter quer in ein Magnetfeld, wirkt auf ihn eine Kraft. Ihre Ursache sind die Lorentzkräfte auf die bewegten Elektronen im Draht. Diese Kraft steht senkrecht sowohl auf der Stromrichtung als auch auf der Magnetfeldrichtung. Der Leiter wird aus dem Feld heraus- oder hineingedrückt.
Die UVW-Regel der linken Hand
Merke: UVW-Regel der linken Hand (für die Elektronenbewegung): Der Daumen zeigt in die Bewegungsrichtung der Elektronen (Ursache), der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfelds (Vermittlung), der Mittelfinger gibt die Richtung der Lorentzkraft an (Wirkung). Die drei Finger stehen dabei senkrecht aufeinander.
Beispiel 1: Richtung der Kraft bestimmen
Ein Leiter liegt waagrecht in einem Magnetfeld, das von links (Nord) nach rechts (Süd) zeigt. Die Elektronen fließen aus der Zeichenebene heraus auf dich zu. In welche Richtung wird der Leiter gedrückt?
Antwort: Daumen (Elektronen) zeigt aus der Ebene heraus, Zeigefinger (Feld) nach rechts, dann weist der Mittelfinger (Kraft) nach oben. Der Leiter wird nach oben gedrückt. Dreht man Stromrichtung oder Feld um, kehrt sich die Kraft um; dreht man beide um, bleibt sie gleich.
Beispiel 2: Wovon der Betrag der Kraft abhängt
Was passiert mit der Kraft auf den Leiter, wenn man (a) den Strom verstärkt, (b) das Magnetfeld verstärkt, (c) den Leiter parallel zum Feld legt?
| Änderung | Wirkung auf die Kraft |
| größere Stromstärke | größere Kraft |
| stärkeres Magnetfeld | größere Kraft |
| längerer Leiter im Feld | größere Kraft |
| Leiter parallel zum Feld | Kraft null |
Antwort: Die Kraft wächst mit Stromstärke, Feldstärke und der im Feld liegenden Leiterlänge. Liegt der Leiter parallel zum Feld, wirkt keine Kraft; am größten ist sie, wenn Leiter und Feld senkrecht zueinander stehen.
Kraft auf eine Spule: der Elektromotor
Eine stromdurchflossene Spule in einem Magnetfeld erfährt auf ihren beiden Längsseiten entgegengesetzte Kräfte. Dieses Kräftepaar dreht die Spule. So entsteht der Elektromotor: Eine drehbar gelagerte Spule (Rotor) dreht sich im Feld eines Dauermagneten (Stator). Damit sie sich immer weiterdreht, kehrt ein Kommutator (Polwender) nach jeder halben Umdrehung die Stromrichtung in der Spule um.
Beispiel 3: Wie ein Elektromotor sich dreht
Erkläre, warum sich die Spule im Motor dreht und warum sie ohne Kommutator stehen bleiben würde.
Antwort: Auf die beiden Längsseiten der Spule wirken entgegengesetzte Lorentzkräfte, weil der Strom dort in entgegengesetzte Richtungen fließt. Dieses Kräftepaar dreht die Spule. Nach einer halben Umdrehung würde die Kraft die Spule zurückdrehen; der Kommutator kehrt genau dann die Stromrichtung um, sodass die Drehung in dieselbe Richtung weitergeht. Der Motor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Die Drehwirkung ist größer bei mehr Strom, stärkerem Feld und mehr Windungen.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Rechte statt linke Hand: Für die Elektronenbewegung gilt die linke Hand (UVW). Mit der technischen Stromrichtung nimmt man die rechte.
- Finger nicht senkrecht: Daumen, Zeige- und Mittelfinger müssen senkrecht zueinander stehen, sonst stimmt die Richtung nicht.
- Kraft in Feldrichtung: Die Lorentzkraft steht senkrecht auf Strom und Feld, nie parallel dazu.
- Motor ohne Kommutator: Ohne Polwender bliebe die Spule nach einer halben Drehung in einer Gleichgewichtslage stehen.
- Leiter parallel zum Feld: Dann wirkt keine Kraft. Maximal ist sie bei senkrechter Lage.
Üben: Aufgaben zur Lorentzkraft und zum Elektromotor
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zur Kraftrichtung mit der UVW-Regel, zur Abhängigkeit der Kraft und zum Aufbau des Elektromotors, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
Vorheriges Thema: Magnetfeld von Leiter und Spule
Nächstes Thema: Spannung, elektrische Arbeit und Leistung
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