Ohne Lorentzkraft keine Elektromobilität – Schülerexperimente
Nun ist es sicher: Die Tage der Verbrennungsmotoren sind gezählt und die Elektromobilität als umweltfreundlichere Alternative ist in aller Munde. Sie ist eine sich schnell entwickelnde Branche, die darauf abzielt, die Art und Weise zu revolutionieren, wie wir uns fortbewegen. Im Gegensatz zu traditionellen Kraftfahrzeugen, die auf Verbrennungsmotoren angewiesen sind, verwenden E-Fahrzeuge Elektromotoren, um ihre Räder anzutreiben. Eine der grundlegenden Kräfte, die für den Betrieb von E-Autos, E-Bikes oder E-Rollern nötig sind, ist die Lorentzkraft. Doch wie funktioniert so ein Elektromotor eigentlich und welche Rolle spielt die Lorentzkraft dabei? Dazu müssen wir zuerst einmal zurück ins späte 19. Jahrhundert springen.
Was ist die Lorentzkraft?
Die Lorentzkraft ist eine physikalische Kraft, die auf ein geladenes Teilchen in einem elektromagnetischen Feld wirkt. Sie lenkt die Bewegungsrichtung des Teilchens ab. Die Größe der Kraft hängt von der Stärke des Magnetfeldes B, der Geschwindigkeit des Teilchens v und der Ladung q ab. Somit wird die Lorentzkraft F durch die Formel F = v * B * q beschrieben.
Die Entdeckung der Lorentzkraft
Der holländische Physiker Henrik Antoon Lorentz forschte damals als theoretischer Physiker der Universität Leiden auf dem Gebiet der Elektrodynamik. Er studierte die Wechselwirkung von elektrischen und magnetischen Feldern mit geladenen Teilchen. Dabei entdeckte er, dass ein geladenes Teilchen, das sich in einem magnetischen Feld bewegt, von einer Kraft abgelenkt wird, die senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zum Magnetfeld steht. Im Jahr 1895 beschrieb Lorentz diese Kraft mathematisch und nannte sie später „Lorentzkraft“. Diese Entdeckung war ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der Elektrodynamik und ist auch heute noch in vielen Bereichen der Physik und Technik von großer Bedeutung, beispielsweise in der Teilchenbeschleunigung, der Magnetresonanztomographie (kurz. MRT) und eben der Elektromobilität.
Nichts geht ohne Magnetfeld
Im Bereich der E-Mobilität spielt die Lorentzkraft eine entscheidende Rolle bei der Funktionsweise des Elektromotors. Dieser besteht bei E-Autos in der Regel aus einem feststehenden Stator mit Kupferdraht-Wicklungen und einem innenliegenden, beweglichen Rotor. Werden die Wicklungen des Stators mit Drehstrom versorgt, so rotiert im Stator ein elektromagnetisches Feld. Auch im Rotor entsteht ein magnetisches Feld – je nach Motortyp durch Permanentmagnete oder ein Spulensystem. Durch die Interaktion beider Magnetfelder wird die Lorentzkraft erzeugt, die den Rotor zum Drehen bringt und so für die Fortbewegung des Fahrzeugs sorgt.
Wie lautet die Drei-Finger-Regel der rechten Hand?
Zeigt der Daumen in die technische Richtung des elektrischen Stroms und der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes, so gibt der um 90° abgewinkelte Mittelfinger die Richtung der Lorentzkraft an.
Energierückgewinnung dank Lorentzkraft
Aber auch beim Bremsvorgang von Elektrofahrzeugen spielt die Lorentzkraft eine wichtige Rolle. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bremsen, die auf Reibung setzen, nutzen E-Autos in der Regel regenerative Bremsen. Wenn das Auto bremst, wird das Elektromotorsystem verwendet, um den Elektromotor in einen Generator umzuwandeln. Hierbei ermöglicht es die Lorentzkraft die Energie zurückzugewinnen, die während des Bremsvorgangs normalerweise in Form von Wärmeenergie entweicht. Die kinetische Energie des Fahrzeugs wird somit in elektrische Energie umgewandelt und in der Batterie gespeichert. Diesen Vorgang nennt man Rekuperation. Die Nutzung der Lorentzkraft für die Energierückgewinnung hat mehrere Vorteile: Zum einen kann sie dazu beitragen, die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen. Zum anderen verkürzt sie den Bremsweg, indem sie das E-Auto effektiver zum Stillstand bringt. Dadurch verlängert sich auch die Lebensdauer der Bremsen, da sie weniger beansprucht werden.
Die Lorentzkraft im Schülerexperiment
Da die E-Mobilität immer weiterwächst, wird die Lorentzkraft künftig eine immer wichtigere Rolle im Alltag spielen. Somit gewinnt diese physikalische Kraft auch an Bedeutung im Physikunterricht, da sie für das Verständnis der Funktionsweise von Elektromotoren unabdingbar ist. Praktischerweise lässt sich die Lorentzkraft sehr effektvoll nachweisen und eignet sich daher ideal als Schülerexperiment. Mit unserem Experimentiersatz ELEKTRIK 2 plus können SchülerInnen die Lorentzkraft eindrucksvoll selbst entdecken und in verschiedenen Versuchsschritten die Drei-Finger-Regel ableiten. Vertiefte Experimente zur Lorentzkraft und deren Eigenschaften sind mit unserem Experimentiersatz ELEKTRIK 4 möglich. In sechs verschiedenen Versuchen können die SchülerInnen die Vektoreigenschaft der Lorentzkraft und die Abhängigkeit der Lorentzkraft von der magnetischen Feldstärke, der Stromstärke, der Länge des Leiters und dem Winkel zwischen Feld- und Stromstärke erforschen.
Quellen:
https://www.tagesschau.de/wirtschaft/technologie/verbrenner-aus-eu-101.html
https://plugme.de/psm-asm-reluktanz-antriebsmotoren-in-elektroautos/