Die Lorenzkraft, die Kraft, die auf sich bewegende geladene Teilchen in einem Magnetfeld wirkt (Abbildung 1), spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungen, die von elektronischen Geräten und Motoren über Sensoren und Bildgebung bis hin zu biomedizinischen Anwendungen reichen. Es hat sich gezeigt, dass ein Magnetfeld in der Lage ist, Strom und Leitfähigkeit abzubilden, was zahlreiche biologische und medizinische Anwendungen ermöglicht, wie z. B. die Kartierung der elektrischen Aktivität im Gehirn und im Herzen und die Erkennung von abnormalem Gewebe wie Tumoren anhand von Veränderungen der elektrischen Eigenschaften. Die Lorentz-Kraft spielt eine immer größere Rolle bei neuartigen bildgebenden Verfahren wie der magnetoakustischen Abbildung von Strom, der Hall-Effekt-Bildgebung, der ultraschallinduzierten Lorentz-Kraft-Bildgebung von Leitfähigkeit, der magnetoakustischen Tomographie mit magnetischer Induktion und der Lorentz-Kraft-Bildgebung von Aktionsströmen mit Hilfe der Kernspintomographie. Unsere Gruppe nutzt die Wirkung der Lorentzkraft zur Untersuchung von Flammen, elektrochemischen Reaktionen, weichen Materialien und der Schileren-Technik. Die Wirkung des Magnetfelds auf Ionenströme ist ein interdisziplinäres Konzept aus Elektrochemie, Hydrodynamik und Magnetismus. Die Ergebnisse sind manchmal überraschend, und ihre Aufklärung kann zu unerwarteten Einsichten in grundlegende elektrochemische Prozesse sowie zu neuen praktischen Anwendungen führen. Derzeit arbeiten wir an der Auswirkung der Lorentz-Kraft auf elektrochemische Oszillationsreaktionen. Wir haben gezeigt, dass die Lorentzkraft den Massentransport in elektrochemischen Reaktionen verstärken kann. Dieser Effekt wird als magnetohydrodynamischer (MHD) Effekt bezeichnet und wird durch magnetische Kräfte verursacht, die konvektive Bewegungen im Elektrolyten hervorrufen.
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Abbildung 1: Schematische Darstellung der Bewegung eines geladenen Teilchens im Magnetfeld. |
In der Tat induziert die magnetische Kraft eine Konvektionsbewegung im Elektrolyten aufgrund der Lorentz-Kraft, die gegeben ist durch:
F= q(E + v × B)
wobei E das elektrische Feld ist, B das magnetische Feld und v die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens (q) ist. Wenn ein Ion (geladenes Teilchen) in das Magnetfeld eintritt, erfährt es eine Kraft, die senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit des Objekts und des Magnetfelds verläuft. Diese Kraft bewirkt eine Zentripetalbeschleunigung und folglich eine Kreisbewegung des Teilchens im Medium, die auf den unten beschriebenen Gleichungen beruht. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes:
Diese Gleichungen zeigen, dass sich ein geladenes Teilchen mit der Geschwindigkeit v senkrecht zum Magnetfeld auf einer Kreisbahn bewegt. Der Radius dieser Kreisbewegung ist umgekehrt abhängig von der Stärke des Magnetfeldes. Das bedeutet, dass in Regionen mit hoher Magnetfeldstärke eine Rotationsbewegung mit kleinerem Radius stattfindet, während in Regionen mit höherer Magnetfeldstärke der Radius der Kreisbewegung größer ist. Die Komponente der Geschwindigkeit parallel zu den Magnetfeldlinien bleibt davon unberührt, da die magnetische Kraft für eine Bewegung parallel zum Feld gleich Null ist. Dies führt zu einer schraubenförmigen Bewegung (d. h. zu einer Spiralbewegung) und nicht zu einer Kreisbewegung (Abbildung 2). Daher verbessert die Lorentzkraft den Stofftransport in elektrochemischen Zellen aufgrund der Rotations- und Spiralbewegung.
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Abbildung 2: Schematische Darstellung einer Spiralbewegung eines geladenen Teilchens anstelle einer Kreisbewegung. |