Vật lý lực Lorentz

Lực Lorentz, lực tác dụng lên một hạt tích điện q chuyển động với vận tốc v thông qua một điện E và từ trường B. Toàn bộ lực điện từ F trên hạt tích điện được gọi là Lực Lorentz (sau khi nhà vật lý người Hà Lan Hendrik Lorentz A.) và được cho bởi F = q E + q v × B.

Thuật ngữ đầu tiên được đóng góp bởi điện trường. Thuật ngữ thứ hai là lực từ và có hướng vuông góc với cả vận tốc và từ trường. Lực lượng từ tỷ lệ với q và độ lớn của vector cross product v × B. Xét về góc ϕ giữa v và B, độ lớn của lực bằng qvB sin. Một kết quả thú vị của lực Lorentz là chuyển động của một hạt tích điện trong từ trường đều. Nếu v vuông góc với B (nghĩa là với góc ϕ giữa v và Blà 90 °), hạt sẽ đi theo một quỹ đạo tròn có bán kính r = mv / qB. Nếu góc ϕ nhỏ hơn 90 °, quỹ đạo hạt sẽ là một vòng xoắn có trục song song với các đường trường. Nếu bằng 0, sẽ không có lực từ tính lên hạt, nó sẽ tiếp tục di chuyển không bị phá hủy dọc theo các đường trường. Máy gia tốc hạt tích điện như cyclotron sử dụng thực tế là các hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn khi v và B nằm đúng góc. Đối với mỗi cuộc cách mạng, một điện trường được định thời cẩn thận sẽ cung cấp cho các hạt động năng bổ sung, khiến chúng di chuyển trên quỹ đạo ngày càng lớn hơn. Khi các hạt đã thu được năng lượng mong muốn, chúng được chiết xuất và sử dụng theo nhiều cách khác nhau, từ các nghiên cứu cơ bản về các tính chất của vật chất đến điều trị ung thư.

Lực từ lên một điện tích chuyển động cho thấy dấu hiệu của các hạt mang điện trong một dây dẫn. Dòng điện chạy từ phải sang trái trong một dây dẫn có thể là kết quả của các hạt mang điện tích dương chuyển từ phải sang trái hoặc các điện tích âm chuyển từ trái sang phải hoặc một số kết hợp của mỗi dây dẫn. Khi một dây dẫn được đặt trong trường B vuông góc với dòng điện, lực từ tác dụng lên cả hai loại sóng mang điện tích cùng hướng. Lực này tạo ra một sự khác biệt tiềm năng nhỏ giữa các bên của dây dẫn. Được biết đến như hiệu ứng Hall, hiện tượng này (được phát hiện bởi nhà vật lý người Mỹ Edwin H. Hall) xảy ra khi một điện trường được căn chỉnh theo hướng của lực từ. Hiệu ứng Hall cho thấy các electron chiếm ưu thế trong việc dẫn điện bằng đồng. Tuy nhiên, trong kẽm, sự dẫn điện bị chi phối bởi chuyển động của các hạt mang điện tích dương. Các electron trong kẽm bị kích thích từ dải hóa trị để lại các lỗ trống, đó là các vị trí trống (tức là mức không được lấp đầy) hoạt động giống như các hạt mang điện tích dương. Chuyển động của các lỗ này chiếm phần lớn sự dẫn điện của kẽm.

Nếu một dây có dòng i được đặt trong từ trường ngoài B, thì lực tác dụng lên dây sẽ phụ thuộc vào hướng của dây như thế nào? Vì một dòng điện đại diện cho một chuyển động của điện tích trong dây, nên lực Lorentz tác dụng lên các điện tích chuyển động. Vì các điện tích này được liên kết với dây dẫn, nên các lực từ tính trên các điện tích chuyển động được truyền tới dây dẫn. Lực tác dụng lên một chiều dài nhỏ d l của dây phụ thuộc vào hướng của dây đối với trường. Độ lớn của lực được cho bởi id lB sin, trong đó ϕ là góc giữa B và d l. Không có lực khi ϕ = 0 hoặc 180 °, cả hai đều tương ứng với một dòng điện dọc theo hướng song song với trường. Lực ở mức tối đa khi dòng điện và trường vuông góc với nhau. Lực lượng được đưa ra BYD F = id l × B.

Một lần nữa, các sản phẩm chéo vector biểu thị một vuông góc với hướng cho cả hai d l và B.