Сила Лоренца

Сила Лоренца — сочетание электрического и магнитного взаимодействия, которое возникает, когда положительно или отрицательно заряженная частица движется в электромагнитном поле. Она перпендикулярна направлениям векторов магнитной индукции и скорости заряда. Под её действием частица изменяет траекторию своего движения и скорость.

Этот вид сил впервые описал Джеймс Максвелл в 1865 году, а в 1892 году голландский физик Хендрик Лоренц записал для неё математическое выражение. Хотя первый вывод формулы исследователи приписывают Оливеру Хевисайду.

Вариация этой базовой силы действует на проводник с током, когда его помещают между полюсами магнита. Если в проводнике существует ток, то он будет отклоняться во внешнем магнитном поле, так как сила Лоренца будет действовать на все движущиеся в нём электроны. В какую сторону отклонится провод с током наглядно продемонстрирует правило левой руки.

Это явление и возникающую силу используют в экспериментальной физике для:

  • увеличения скорости элементарных частиц и ионов в различных циклотронах и других ускорителях;
  • определения удельного заряда и массы положительных ионов, относительной атомной массы изотопов химических элементов в масс-спектрографии;
  • в магнетронах и скоростных фильтрах.

В быту такое воздействие на заряженную частицу нашло применение в телевизорах с электронно-лучевой трубкой, электродвигателях, колонках, генераторах.

Какова природа силы?

Эта сила принадлежит спектру сил электромагнитного взаимодействия. Магнитное поле создают заряженные частицы, такие как протон или электрон, во время своего движения. Движущийся заряд поместим во внешнее поле, например, между полюсами магнита. Поле точечного заряда и внешнее поле будут взаимодействовать определённым образом: притягиваться или отталкиваться. Это зависит от знака заряда и от взаимного расположения линий магнитной индукции полей.

Формула для вычисления модуля силы Лоренца демонстрирует её зависимость от скорости частицы v, абсолютного значения её заряда q, от модуля индукции внешнего магнитного поля B и угла α, показывающего взаимное расположение векторов скорости и магнитной индукции.

Сила Лоренца

На рисунке представлены все величины, фигурирующие в формуле:

Сила Лоренца

Из уравнения видно, что если v (скорость) стремится к нулю, то на точечный заряд не будет действовать и сила Лоренца. Кроме того, если заряд перемещается в направлении, параллельном направлению вектора магнитной индукции, то есть sin (0) = 0, снова будем наблюдать отсутствие внешней силы (Fл=0). А при движении, перпендикулярном линиям внешнего магнитного поля, сила Лоренца становится центростремительной и искривляет траекторию объекта (наблюдается движение по окружности). Протон представлен на рисунке а), рисунок б) описывает электрон.

Сила Лоренца

Правило левой руки

Для положительно заряженной частицы необходимо расположить ладонь левой руки, чтобы четыре вытянутых пальца направить параллельно её движению, а линии магнитной индукции входили в ладонь перпендикулярно, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца. А для отрицательного заряда силу Лоренца направляем в противоположную сторону.

Правило левой руки