Сила Лоренца в магнітному полі
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Зміст:
Визначення
Сила Лоренца являє собою комбінацію магнітної та електричної сили на точковому заряді, який викликаний електромагнітними полями. Або іншими словами, сила Лоренца – це сила, що діє на будь-яку заряджену частинку, яка падає в магнітному полі з певною швидкістю. Її величина залежить від величини магнітної індукції В, електричного заряду частинки q і швидкості, з якою частинка падає в полі – V. Про те яка формула розрахунку сили Лоренца, а також її практичне значення у фізиці читайте далі.
Трішки історії
Перші спроби описати електромагнітну силу були зроблені ще в XVIII столітті. Вчені Генрі Кавендіш і Тобіас Майєр висловили припущення, що сила на магнітних полюсах і електрично заряджених об’єктах підкоряється закону зворотних квадратів. Однак експериментальне підтвердження цього факту не було повним і переконливим. Тільки в 1784 році Шарль Августин де Кулон за допомогою свого торсіонного балансу зміг остаточно довести це припущення.
У 1820 році фізиком Ерстедом був відкритий факт, що на магнітну стрілку компаса діє струм вольта, а Андре-Марі Ампер в цьому ж році зміг розробити формулу кутової залежності між двома струмовими елементами. По суті, ці відкриття стали фундаментом сучасної концепції електричних та магнітних полів. Сама ж концепція отримала свій подальший розвиток в теоріях Майкла Фарадея, особливо в його уявленні про силові лінії. Лорд Кельвін і Джеймс Максвелл доповнили теорії Фарадея докладним математичним описом. Зокрема Максвеллом було створене так зване, «рівняння поля Максвелла» – що представляє собою систему диференціальних та інтегральних рівнянь, що описують електромагнітне поле і його зв’язок з електричними зарядами і струмами у вакуумі та суцільних середовищах.
Джей Джей Томпсон був першим фізиком, хто спробував вивести з рівняння поля Максвелла електромагнітну силу, які діє на рухомий заряджений об’єкт. У 1881 році він опублікував свою формулу F = q / 2 v x B. Але через деякі прорахунки та неповний опис струму зміщення вона виявилася не зовсім правильною.
І ось, нарешті, в 1895 році голландський вчений Хендрік Лоренц вивів правильну формулу, яка використовується і понині, а також носить його ім’я, як і та сила, що діє на рухому частку в магнітному полі, відтепер називається «силою Лоренца».
Хендрік Лоренц.
Формула
Формула для розрахунку сили Лоренца виглядає наступним чином:
Де q – електричний заряд частинки, V – її швидкість, а B – величина магнітної індукції магнітного поля.
При цьому поле B виступає в якості сили, перпендикулярної до напрямку вектора швидкості V навантажень і напрямку вектора B. Це можна проілюструвати на діаграмі:
Правило лівої руки
Правило лівої руки дозволяє фізикам визначати напрямок і повернення вектора магнітної (електродинамічної) енергії. Уявіть собі, що наша ліва рука розташована таким чином, що лінії магнітного поля направлені перпендикулярно внутрішньої поверхні руки (так, що вони проникають всередину руки), а всі пальці за винятком великого вказують на напрямок протікання позитивного струму, відхилений великий палець вказує на напрямок електродинамічної сили, що діє на позитивний заряд, поміщений в це поле.
Ось так це буде виглядати схематично.
Є також і другий спосіб визначення напрямку електромагнітної сили. Він полягає в розташуванні великого, вказівного і середнього пальців під прямим кутом. В цьому випадку вказівний палець буде показувати напрямок ліній магнітного поля, середній – напрямок руху струму і великий – напрямок електродинамічної сили.
Застосування
Сила Лоренца і її розрахунки мають своє практичне застосування при створенні як спеціальних наукових приладів – мас-спектрометрів, що служать для ідентифікації атомів і молекул, так і створенні багатьох інших пристроїв найрізноманітнішого застосування. Серед таких пристроїв є і електродвигуни, і гучномовці, і рейкові пістолети.
Також здатність сили Лоренса пов’язувати механічне зміщення з електричним струмом представляє великий інтерес для медичної акустики.
Рекомендована література та корисні посилання
- Болотовский Б. М. Оливер Хевисайд. — Москва: Наука, 1985. — С. 43-44. — 260 с.
- Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. — 3-е изд. — М. Высшая школа 1976. — С. 132.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.