Frage von PaBo99, 147

Wir haben heute im Physik Unterricht ein Experiment gemacht (siehe Skizze). Das Wasser hat dann angefangen sich im kreis zu bewegen...wieso ist das so?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von atoemlein, 61

Das ist eine Demonstration der Lorentzkraft.

Dieser Effekt sagt:
Wenn du Strom und Magnetfeld hast, dann wirkt auf die bewegten Ladungsträger eine Kraft.

  • Der Strom fliesst in der Schale durch das leitende Wasser vom einen Pol zum andern. Hier von innen nach aussen (technische Stromrichtung und Richtung der positiven Natriumionen des Salzwassers). Das ist eine radiale Bewegung (entlang dem Radius).
  • Der Magnet unter der Schale hat ein Feld, das senkrecht nach oben oder unten zeigt und damit ungefähr senkrecht zur Stromrichtung steht.
  • Die Kraft auf die wandernden Ladungsträger ergibt sich nach der Dreifingerregel: http://www.torkado.de/img3/lorentzkraft.jpg ; Sie ist hier wieder senkrecht zu Stromrichtung und Magnetfeld, wirkt also tangential, und deshalb dreht sich das Wasser. Für positive Ladungsträger nimmt man die rechte Hand.
  • Da sich in der Lösung wegen dem Strom auch die negativen Chlorid-Ionen bewegen, aber in die Gegenrichtung, werden sie gemäss der Dreifingerregel mit der linken Hand in die gleiche Richtung wie die positiven abgelenkt, was die Drehbewegung des Wassers unterstützt.
  • Wenn du die Strompolarität oder den Magneten umdrehst, ändert sich die Drehrichtung des Wassers


Kommentar von PaBo99 ,

Danke für die detaillierte Antwort. Allerdings habe ich noch eine frage bezüglich dieser Antwort:
"Das ist eine radiale Bewegung (entlang dem Radius)."

Wieso bewegen sich die Ladungen entlang dem Radius?

Unser Physik Lehrer wollte das wir zuhause recherchieren warum sich das Waser bewegt (Lorenzkraft haben wir im Unterricht schon behandelt) das Ergebnis der Recherche sollen wir dann den anderen präsentieren. Dementsprechend würde ich mich über eine ausführliche Erklärung freuen.

Schon mal Danke im voraus. 

Kommentar von atoemlein ,

Die radiale Bewegung entsteht einfach aufgrund der Anordnung der beiden Pole der Spannungsquelle:
Plus im Zentrum, Minus an der Gefässwand. Es macht nichts, dass da nicht der ganze Kreis das Minus ist, sondern nur ein Teil der Wand.
Der Strom wählt am liebsten den kürzesten, direkten Weg, und der ist eben dann radial. Alles klar so?

Kommentar von PaBo99 ,

Meiner Meinung nach wäre der kürzeste weg aber direkt gerade von der Mitte zum Rand. Oder sehe ich das falsch?

Kommentar von atoemlein ,

Das sag' ich doch.

Leider kann man keine Zeichnungen in Kommentaren einfügen. Weisst du nicht, was ein Radius ist, was radial heisst oder "entlang des Radius'"?

https://de.wikipedia.org/wiki/Radial

Kommentar von PaBo99 ,

Doch natürlich...ich habe den Radius anscheinend mit etwas anderem verwechselt.

Aber wieso bewegt sich dann das Wasser? Wir haben in der Schule den Versuch mit der Leiterschaukel durchgeführt um die zusammenhänge der Lorenzkraft zu verstehen. Beim dem Draht der Schaukel bildet sich ein Magnetfeld um den Leiter. Ist das bei dem Stromfluss im Wasser dann auch der Fall? Und wie ist das Magnetfeld da aufgebaut?

Über eine Skizze würde ich mich sehr freuen. Ich könnte ihnen meine Email über eine Private Nachricht mitteilen wenn sie sich dazu bereiterklären.

Kommentar von atoemlein ,

Direkt abgelenkt werden nur die Ladungsträger, wenn sie sich bewegen.

  • Bei der Leiterschaukel sind es die durch den Strom bewegten Elektronen im Draht, die abgelenkt werden, und dadurch (weil die Elektronen nicht rauskönnen aus dem Draht) wird der Draht mitabgelenkt.
  • Beim Wasser werden die Ionen (das sind bei Lösungen die Ladungsträger) abgelenkt. Auch hier: Weil die Ionen das Wasser nicht verlassen können, "nehmen" sie das Wasser mit, das Ganze dreht sich.
  • Und eben: Strom, Feld, Kraft stehen (in solchen Versuchen) immer senkrecht zueinander, die Kraftrichtung kann mit der Dreifingerregel bestimmt werden:
    Strom, Feld, Kraft.
    Daumen, Zeigefinger, Mittelfinger.
    Rechte Hand: positive Ladungsträger, linke Hand: Elektronen.
  • https://de.wikipedia.org/wiki/Drei-Finger-Regel

Kommentar von PaBo99 ,

Vielen Dank! Also müsste sich das Wasser gegen den Uhrzeigersinn drehen...Dauen Zeigt nach oben (Magnetfeld des Magneten) Zeigefinder nach vorne (Richtung der positiven Natriumionen im Wasser) und der Mittelfinger nach links zur Seite (Bewegung des Wassers). Sehe ich das so richtig?

Kommentar von atoemlein ,

Drehrichtung hängt von Polariät des Stroms und Feldrichtung des Magneten ab. Die Feldrichtung sieht man im Bild nicht.

Falls Feld nach oben zeigt, dann Nein:
Daumen = Strom (für Natriumionen nach aussen), Zeigefinger = Feld (gemäss Dir noch oben), --> Kraft unten nach links, oben nach rechts, also Drehung im Uhrzeigersinn.

Kommentar von PaBo99 ,

Das stimmt dann auch mit den Beobachtungen aus dem Unterricht über ein.

Kann man sagen das sich im Wasser ein Magnetfeld aufbaut wie bei einem stromdurchflossenen Leiter? Also so wie hier:
http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online\_material/e\_lehre\_1/e...

Das würde dann ja bedeuten, das sich das Magnetfeld auf der auf der linken Seite verstärk und auf der rechten schwächt was dann für die Ablenkung im Uhrzeigersinn spricht.

Kommentar von atoemlein ,

Gut, dass es übereinstimmt.

Nun ja, der Stromfluss durch die Flüssigkeit baut selber auch ein kleines Magnetfeld auf wie in deiner Skizze. Dieses liegt zylinderförmig um den gedachten Strompfad. Aber das ist in diesem Fall wenig hilfreich zum Erklären der Wasserdrehung (es würde noch komplizierter). Halte dich bei diesen Dingen einfach ein die Dreifingerregel, die bewegten Ladungsträger entsprechen dem Strom, die Kraft ist dann die Wirkung auf diese Ladungsträger, was zu einer Ablenkung oder zu einer induzierten Spannung im Generator führen kann. Aber ich glaube, wir sollten's hiermit gut sein lassen.

Antwort
von PaBo99, 98

Unter der Schale befindet sich noch ein Magnet...habe ich in der Skizze vergessen!

Expertenantwort
von PWolff, Community-Experte für Physik, 53

Ein typischer Unipolarmotor (Homopolarmotor).

Dazu gibt es Dutzende von Artikeln im Internet.

Kommentar von PaBo99 ,

Danke für die Mühe! Allerdings hilft mir das nicht wirklich weiter. Ich habe etwas über Unipolarmotoren recherchiert allerdings verstehe ich nicht genau was das mit der Bewegung des Wassers zu tun hat. 

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