Lorentzkraft Kurs

Lektion 1 • Konzepte des elektrischen und magnetischen Feldes

Definiert elektrische und magnetische Felder als vektorielle Größen. Verknüpft Felddarstellungen mit den Kräften, die sie auf geladene Teilchen ausüben.

Lektion 2 • Grundlagen der elektrischen Ladung und des Stroms

Führt Ladungsquantisierung, Stromfluss und Ladungserhaltung ein. Legt die physikalischen Größen fest, die allen nachfolgenden Kraftberechnungen zugrunde liegen.

Lektion 3 • Vektormathematik für die Feldanalyse

Wiederholt Skalarprodukte, Kreuzprodukte und Koordinatensysteme, die für Kraftberechnungen wesentlich sind. Stellt das algebraische Werkzeug bereit, das im gesamten Kurs verwendet wird.

Lektion 1 • Kreis- und schraubenförmige Teilchenbewegung

Analysiert die Bahnkurven geladener Teilchen in homogenen Magnetfeldern. Verknüpft die Zentripetalbeschleunigung mit der magnetischen Kraft zur Berechnung von Radius und Periode.

Lektion 2 • Energetische Betrachtungen bei der magnetischen Kraft

Zeigt, dass die magnetische Kraft keine Arbeit an einer bewegten Ladung verrichtet. Verdeutlicht den Unterschied zwischen Kraftrichtung und Energieübertragung.

Lektion 3 • Kombinierte elektrische und magnetische Kräfte

Erweitert das Kraftgesetz um gleichzeitig wirkende elektrische und magnetische Felder. Die Studierenden bestimmen resultierende Kraftvektoren in Mehrfeldumgebungen.

Lektion 1 • Kraft auf ein gerades Leiterstück

Wendet die Laplace-Kraftformel auf endliche gerade Leiter in homogenen Feldern an. Die Studierenden berechnen Betrag, Richtung und resultierende Kraftkomponenten.

Lektion 2 • Kraft auf gekrümmte und unregelmäßige Leiter

Erweitert die Kraftberechnung auf nicht-gerade Leiter mittels Linienintegration. Die Studierenden stellen Integrale für Bögen und beliebige Pfade auf und werten sie aus.

Lektion 3 • Kraft auf eine geschlossene Stromschleife

Beweist, dass die resultierende Laplace-Kraft auf eine geschlossene Schleife im homogenen Feld null ist. Führt das Konzept des Drehmoments als dominierenden mechanischen Effekt ein.

Lektion 1 • Drehmoment auf eine rechteckige Stromschleife

Leitet das Drehmoment aus gepaarten Laplace-Kräften auf gegenüberliegenden Seiten einer rechteckigen Schleife her. Liefert das grundlegende Modell für den Betrieb von Elektromotoren.

Lektion 2 • Kraft auf einen Dipol in inhomogenen Feldern

Zeigt, dass ein magnetischer Dipol eine translatorische Nettokraft nur in inhomogenen Feldern erfährt. Verknüpft den Feldgradienten mit der Dipolkraft.

Lektion 3 • Magnetisches Dipolmoment

Definiert den magnetischen Dipolmomentvektor für Stromschleifen beliebiger Form. Verknüpft das Dipolmoment kompakt mit Drehmoment und Feldwechselwirkung.

Lektion 1 • Kraft zwischen nicht-parallelen Leitern

Erweitert die Kraftanalyse auf windschiefe und senkrechte Drahtkonfigurationen. Die Studierenden verwenden Vektorintegration, um resultierende Kräfte und Drehmomente zu ermitteln.

Lektion 2 • Kraft zwischen zwei parallelen Leitern

Wendet das Laplace-Kraftgesetz an, wobei das Feld des einen Drahtes auf den anderen wirkt. Leitet die Formel für die Kraft pro Längeneinheit und die Regeln für Anziehung/Abstoßung her.

Lektion 3 • Magnetfeld eines unendlich langen geraden Drahtes

Leitet Betrag und Richtung des Feldes um einen langen geraden Leiter mit dem Ampèreschen Gesetz her. Liefert die Feldquelle für die Kraftanalyse zwischen Leitern.

Lektion 1 • Linearaktuatoren und Railguns

Modelliert die lineare Krafterzeugung mittels der Laplace-Kraft auf einen gleitenden Leiter im Magnetfeld. Verbindet Kraft, Strom und Feld mit der Beschleunigung.

Lektion 2 • Lautsprecher und Schwingspulenaktuatoren

Analysiert die Schwingspule als Laplace-Kraft-Wandler, der Strom in lineare Auslenkung umsetzt. Die Studierenden berechnen die Kraftempfindlichkeit und Grundlagen des Frequenzgangs.

Lektion 3 • Drehmomentwelligkeit und Kraftgleichförmigkeit

Identifiziert Quellen der Drehmomentwelligkeit in realen Maschinen und Methoden zu deren Minimierung. Verbindet Spulengeometrie und Wicklungsverteilung mit der Kraftgleichförmigkeit.

Lektion 4 • Gegen-EMK und Leistungsbilanz

Leitet die Gegen-EMK aus der Leiterbewegung im Magnetfeld her und setzt sie zur mechanischen Leistung in Beziehung. Die Studierenden wenden die Energieerhaltung auf Motorkreise an.

Lektion 1 • Hall-Effekt-Sensoren

Leitet die Hall-Spannung aus dem Gleichgewicht der Laplace-Kraft auf Ladungsträger in einem Leiter her. Verbindet die Hall-Spannung mit Magnetfeld und Stromdichte.

Lektion 2 • Galvanometer und Drehspulmesswerk

Erklärt den Ausschlag einer stromdurchflossenen Spule im radialen Magnetfeld als direkte Anwendung der Laplace-Kraft. Leitet Empfindlichkeit und Vollausschlag her.

Lektion 3 • Kraftkompensations- und Watt-Waagen-Instrumente

Untersucht Präzisionsinstrumente, die die Laplace-Kraft gegen die Schwerkraft oder eine mechanische Kraft aufheben. Verbindet die Kraftmessung mit der Bestimmung von Fundamentalkonstanten.

Lektion 1 • Finite-Elemente-Analyse zur Kraftvorhersage

Führt die numerische Feldsimulation als Werkzeug zur genauen Laplace-Kraft-Vorhersage in komplexen Geometrien ein. Die Studierenden interpretieren FEA-Ergebnisse und validieren sie mit analytischen Modellen.

Lektion 2 • Systemintegration und Entwurfsüberprüfung

Synthetisiert alle Kurskonzepte in einem strukturierten Entwurfsüberprüfungsprozess für elektromagnetische Kraftsysteme. Die Studierenden bewerten Kompromisse und dokumentieren Entwurfsentscheidungen.

Lektion 3 • Thermische Grenzen und Stromdichte

Setzt die Stromdichte im Leiter in Beziehung zur Jouleschen Wärme und maximal zulässigen Laplace-Kraft. Die Studierenden wenden thermische Beschränkungen auf die Leiterdimensionierung an.

Lektion 4 • Magnetische Kreisanalyse für den Kraftentwurf

Wendet Konzepte magnetischer Kreise an, um die Flussdichte in Luftspalten vorherzusagen, in denen die Laplace-Kraft wirkt. Die Studierenden dimensionieren Kerne, Spalte und Wicklungen für eine angestrebte Kraftausgabe.