Lorentz-Kraft

Bewegt sich ein elektrisch geladenes Teilchen durch ein Magnetfeld, erfährt es eine Kraft senkrecht zu Bewegungs- und Magnetfeldrichtung (sog. Lorentz-Kraft). Das Bild zeigt, wie die Ablenkung des Teilchens von seiner Ladung und der Richtung des Magnetfeldes abhängt. Ermittelt wird die Kraftrichtung z.B. mit der Rechte-Hand-Regel (s.u.) In Speicherringen können so die beschleunigten Teilchen mit Dipolmagneten auf die Kreisbahn bzw. zu den einzelnen Experimentieranlagen gelenkt werden.
Auf bewegte geladene Teilchen wirkt im Magnetfeld die Lorentz-Kraft. Richtung und Stärke der Kraft hängen von drei Größen ab: Elektrische Ladung der Teilchen (Qe) Geschwindigkeit der Teilchen (v) Magnetische Flussdichte (B)
Die Lorentz-Kraft wird wie folgt berechnet: In den hier betrachteten Fällen steht das Magnetfeld senkrecht zur Bewegungsrichtung und man kann vereinfacht schreiben: F = QevB
Rechte-Hand-Regel
Um die Richtung der Ablenkung zu bestimmen, kann man die Rechte- Hand-Regel verwenden. An der rechten Hand spreizt man Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger so ab, dass sie die drei Achsen eines Koordinatensystems bilden. Der Daumen wird in Richtung der technischen Stromrichtung gehalten, der Zeigefinger in Richtung der Magnetfeldlinien. Der Mittelfinger zeigt nun in Richtung der Lorentz-Kraft, für ein positives Teilchen.
Mit Hilfe dieser Regel kann man in den Teilchendetektoren Aussagen über Ladung und Impuls der Teilchen machen. Unterscheidung der Teilchen nach ihrer Ladung
Negativ und positiv geladene Teilchen werden in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. So können die Ladungen der detektierten Teilchen unterschieden werden.
Teilchen mit einem größeren Impuls p werden weniger abgelenkt, als Teilchen mit kleinerem Impuls. Bei bekanntem Bahnradius r kann man den Impuls der detektierten Teilchen bestimmen. Man erkennt den Zusammenhang auch beim Gleichsetzen der entsprechenden Formeln für Lorentz-Kraft (QvB) und Zentripetalkraft (mv²/r).
Aufbau und Funktionsweise eines Dipolmagneten
Dipolmagnete bestehen aus einem U-förmigen Eisenjoch, um dessen Enden Magnetspulen gewickelt sind. Im Zwischenraum bildet sich ein Magnetfeld. Hier befindet sich die Vakuumröhre, in der sich die Teilchen bewegen. Da die Teilchengeschwindigkeit sehr groß ist, müssen laut obiger Formel die Dipolmagnete starke Magnetfelder erzeugen, um nicht zu große Bahnradien zu bekommen. Große magnetische Feldstärken erreicht man durch hohe elektrische Ströme. Deshalb werden supraleitende Spulen verwendet. Dort fließen die Ströme fast verlustfrei und erzeugen ohne großen Energieverlust starke Magnetfelder von 5 bis 8 Tesla.
	Bei unserem Besuch beim LEP-Speicherring am CERN konnten wir die Strahlführung durch Magnetfelder an ausgedienten Bauteilen gut erkennen. ( Auf dem Papier sieht man den Strahlquerschnitt in Originalgröße.)