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Bewegungselektromotorische Kraft

1890
  • Hendrik Lorentz
Homopolar generator demonstrating motional electromotive force in electricity and magnetism.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Motional EMF wird erzeugt, wenn sich ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt. Die magnetische Komponente des Lorentz forceDie Kraft [latex]mathbf{F} = q(mathbf{v} times mathbf{B})[/latex] wirkt auf die Ladungsträger im Leiter, wodurch diese sich bewegen und eine Ladungstrennung erzeugen. Diese Trennung erzeugt ein elektrisches Feld und eine Potenzialdifferenz. Die resultierende EMK ist gegeben durch das Linienintegral [latex]mathcal{E} = oint (mathbf{v} times mathbf{B}) cdot dmathbf{l}[/latex].

Motional EMF is a direct consequence of the Lorentz force acting on mobile charges inside a conductor that is moving relative to a magnetic field. As the conductor moves with velocity [latex]\mathbf{v}[/latex] through a magnetic field [latex]\mathbf{B}[/latex], the free charges (electrons) within it experience a magnetic force [latex]\mathbf{F}_m = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})[/latex]. This force is perpendicular to both the velocity and the magnetic field, causing the charges to accumulate at one end of the conductor, leaving the other end with a net positive charge. This charge separation creates an internal electrostatic field [latex]\mathbf{E}_e[/latex] that opposes the further migration of charges. Equilibrium is reached when the electrostatic force [latex]\mathbf{F}_e = q\mathbf{E}_e[/latex] exactly balances the magnetic force, i.e., [latex]q\mathbf{E}_e = -q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})[/latex].

Das von den Ladungen erfuhren effektive elektrische Feld, [latex]mathbf{E}_{eff} = mathbf{v} times mathbf{B}[/latex], ist ein nicht-konservatives Feld, das den Stromfluss antreibt. Die elektromotorische Kraft (EMK) ist die Arbeit, die pro Ladungseinheit von diesem effektiven Feld entlang der Leiterlänge verrichtet wird. Für einen geraden Draht der Länge [latex]L[/latex], der sich senkrecht zu einem homogenen Feld [latex]B[/latex] bewegt, vereinfacht sich die EMK zu [latex]mathcal{E} = BLv[/latex]. Während die Bewegungs-EMK als Spezialfall des Faraday'schen Induktionsgesetzes (bezüglich der Änderung des magnetischen Flusses) betrachtet werden kann, liefert die Lorentzkraft eine mikroskopischere Erklärung des Mechanismus, der für die Ladungstrennung und die resultierende Spannung verantwortlich ist.

UNESCO Nomenclature: 2205
– Electricity and Magnetism

Typ

Physical Phenomenon

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Michael Faradays Entdeckung der elektromagnetischen Induktion
  • James Clerk Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus
  • Entdeckung des Elektrons durch JJ Thomson

Anwendungen

  • homopolare Generatoren
  • Schienenkanonen
  • magnetohydrodynamische (MHD) Generatoren
  • eddy current Bremsen
  • elektrodynamische Halteseile im Weltraum

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • Antrieb von Raumfahrzeugen durch elektrodynamische Halteseile, die mit planetaren Magnetfeldern interagieren
  • power generation from ocean currents moving conductive seawater through earth’s magnetic field
  • self-powered medizinische Implantate that generate power from blood flow through an applied magnetic field
  • Vibrationsenergiesammler mit Magneten, die relativ zu Spulen schwingen
  • berührungslose Durchflussmesser für leitfähige Flüssigkeiten in Industrierohren
  • Hypergeschwindigkeits-Projektilwerfer (Railguns) für Weltraumstartanwendungen
  • mhd Systeme für geräuschlosen U-Boot-Antrieb
  • Hoch-g-Sensoren basierend auf der in einer bewegten leitfähigen Flüssigkeit erzeugten elektromotorischen Kraft
Verwandt mit: Bewegungs-EMK, Lorentzkraft, Magnetfeld, Leiter, Geschwindigkeit, Generator, Ladungstrennung, Induktion.

Historischer Kontext

Bewegungselektromotorische Kraft

1887
1888
1889
1890
1890
1895
1895
1885
1887
1889
1890
1890
1895
1895
1896

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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