Woher kommt die magnetische Kraft?

Die magnetische Kraft ist ein grundlegendes Konzept im Zusammenhang mit Magneten und Magnetfeldern. So wie ein Gravitationsfeld eine Gravitationskraft auf feste Körper und ein elektrisches Feld eine elektrische Kraft auf Ladungen ausübt, übt ein Magnetfeld eine magnetische Kraft auf Magnete und stromdurchflossene Leiter aus.

Wir begegnen der magnetischen Kraft nicht nur im Labor, sondern auch im Alltag. Die magnetische Kraft zwischen zwei Magneten ist ein fundamentales Phänomen, das uns die vielfältige Anwendung von Magneten ermöglicht. Die Stärke dieser Kraft hängt von den Eigenschaften der Magnete und ihrem Abstand zueinander ab.

Charles Coulomb führte Experimente durch, die zur Bestimmung des Zusammenhangs zwischen magnetischer Kraft und Abstand zwischen Magneten führten. Seine Forschung zeigte, dass die abstoßende oder anziehende Kraft zwischen zwei Magnetpolen umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands ist. Das bedeutet: Je näher die Magnete beieinander sind, desto stärker ist die magnetische Kraft. Dieser Zusammenhang wurde später formalisiert und ist als Coulombsches Gesetz für Magnetfelder bekannt.

Dabei gilt:

• F ist die elektrostatische Kraft zwischen zwei Ladungen.
• k ist die Coulomb-Konstante mit dem Wert 8,988 × 10⁹ N⋅m²⋅C⁻².
• q₁ und q₂ sind die Beträge der Ladungen.
• r ist der Abstand zwischen den Ladungen.

Mit dieser Gleichung lässt sich die auf eine Ladung wirkende Kraft berechnen, wenn ihre Geschwindigkeit, ihr Betrag und das Magnetfeld, in dem sie sich bewegt, bekannt sind.

Magnetische Kraftgleichung

Die Bestimmung der magnetischen Kraft ist ein fundamentales Prinzip der Elektrodynamik und wichtig für das Verständnis des Verhaltens von Magnetfeldern und bewegten Ladungen. Die magnetische Kraft zwischen zwei Ladungen oder zwischen einer Ladung und einem Magnetfeld wird durch die Lorentz-Kraftgleichung beschrieben:

Dabei gilt:

• F ist die magnetische Kraft auf die Ladung.
• q ist die Ladungsmenge.
• v ist die Geschwindigkeit der Ladung.
• B ist das Magnetfeld.

Mit dieser Gleichung lässt sich die auf eine Ladung wirkende Kraft berechnen, wenn ihre Geschwindigkeit, ihre Ladungsmenge und das Magnetfeld, in dem sie sich bewegt, bekannt sind.

Die Stärke der magnetischen Kraft lässt sich wie folgt ausdrücken:

F=qvBsin(θ)

Dabei gilt:

• F ist die Stärke der magnetischen Kraft.
• q ist die Stärke der Ladung.
• v ist die Geschwindigkeit der Ladung.
• B ist die Stärke des Magnetfelds.
• θ ist der Winkel zwischen der Richtung der Ladungsgeschwindigkeit und der Richtung des Magnetfelds.

Richtung der magnetischen Kraft: Die Richtung der Kraft lässt sich mit der Rechte-Hand-Regel bestimmen. Legt man die rechte Hand so an, dass die Finger in Richtung der Ladungsgeschwindigkeit und der Daumen in Richtung des Magnetfelds zeigen, bestimmt die Richtung, in die der Zeigefinger zeigt, die Richtung der auf die Ladung wirkenden magnetischen Kraft. Bei einer negativen Ladung (z. B. einem Elektron) verwendet man die linke Hand.

Wichtig ist, dass die Kraftrichtung stets senkrecht zur Ebene steht, die durch die Ladungsgeschwindigkeit und die Richtung des Magnetfelds aufgespannt wird.

Magnetische Kräfte entstehen auch durch stromdurchflossene Leiter. Fließt Strom durch einen Leiter, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld. Dieses Feld ist die Grundlage für den Betrieb von Elektromotoren, Generatoren und anderen elektrischen Geräten.

Um diese Kraft zu messen, verwenden wir das Ampèresche Gesetz. Es ermöglicht uns, die Kraft zu bestimmen, die zwischen einem stromdurchflossenen Leiter und anderen Magneten oder stromdurchflossenen Leitern wirkt.

∮B⋅dl=μ₀​⋅I_enc

Die Richtung dieser Kraft wird durch die Linke-Hand-Regel von Fleming bestimmt. Diese besagt, dass die Kraftrichtung senkrecht zur Stromrichtung und zur Ausrichtung der magnetischen Feldlinien verläuft.

Die Rechte-Hand-Regel von Fleming dient zur Bestimmung der Richtung der Kraft bzw. des Drehmoments, die durch die Bewegung einer Ladung in einem Magnetfeld entsteht. Es gibt zwei Hauptvarianten der Rechte-Hand-Regel von Fleming: eine zur Bestimmung der Kraftrichtung und eine zur Bestimmung der Richtung des Drehmoments.

Magnetische Kraft in der Praxis

Ein Beispiel hierfür ist die Funktionsweise älterer Fernsehbildschirme, sogenannter Kathodenstrahlröhren (CRTs). Diese Bildschirme nutzen die Magnetkraft, um die Elektronenbahn zu lenken und so ein Bild zu erzeugen. Das Magnetfeld, das von Spulen am Rand der Röhre erzeugt wird, lenkt die Elektronenbahn und erzeugt so unterschiedliche Lichtpunkte auf dem Bildschirm.

Ein weiteres Beispiel ist die Nutzung der Magnetkraft in Elektromotoren und Generatoren. Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um, Generatoren hingegen wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Die magnetische Kraft ist hierbei das grundlegende Element, das Bewegung und die Erzeugung von elektrischem Strom ermöglicht.