Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Electromagnetism » Forța Lorentz și forța Laplace

Forța Lorentz și forța Laplace

Forța Lorentz(Forța Lorentz F pentru o particulă încărcată (cu sarcina q) în mișcare (viteza instantanee v.) Câmpurile E și B variază în spațiu și timp.)

Forța pentru o particulă încărcată

O particulă încărcată care se deplasează într-un câmp B experimentează o forță laterală proporțională cu intensitatea câmpului magnetic, componenta vitezei care este perpendiculară pe câmpul magnetic și sarcina particulei. Această forță este cunoscută ca forța Lorentz și este dată de

F = qE + qv × B,

unde F este forța, q este sarcina electrică a particulei, v este viteza vectorială instantanee a particulei, și B este câmpul magnetic (în tesla).

Forța Lorentz este întotdeauna perpendiculară atât pe viteza particulei cât și pe câmpul magnetic care a creat-o. Atunci când o particulă încărcată se deplasează într-un câmp magnetic static, aceasta urmează o cale elicoidală în care axa helixului este paralelă cu câmpul magnetic și în care viteza particulei rămâne constantă. Deoarece forța magnetică este întotdeauna perpendiculară pe mișcare, câmpul magnetic nu poate produce niciun lucru mecanic pe o sarcină izolată. Poate produce lucru mecanic doar indirect, prin câmpul electric generat de un câmp magnetic în schimbare. Se spune adesea că forța magnetică poate produce lucru mecanic asupra unui dipol magnetic ne-elementar, sau asupra unor particule încărcate a căror mișcare este constrânsă de alte forțe, dar această exprimare este incorectă deoarece lucrul mecanic în acele cazuri este produs de forțele electrice ale sarcinilor deflectate de câmpul magnetic.

Forța în conductorul prin care circulă curent

Forța în conductorul prin care circulă curent este similară cu cea a unei sarcini în mișcare așa cum se așteaptă, deoarece un conductor prin care circulă sarcini este o colecție de sarcini în mișcare. Un conductor prin care circulă curent experimentează o forță în prezența unui câmp magnetic. Forța Lorentz pe un curent macroscopic este adesea denumită forța Laplace. Luați în considerare un conductor cu lungimea , secțiunea transversală A și sarcina q datorită curentului electric i. Dacă acest conductor este plasat într-un câmp magnetic de magnitudine B care face un unghi θ cu viteza sarcinilor din conductor, forța exercitată asupra unei singure sarcini q este

F = qvBsin sinθ,

deci, pentru N sarcini unde

N = nℓA,

forța exercitată asupra conductorului este

f = FN = qvBnℓAsinθ = Biℓsinθ,

unde i = nqvA.

Direcția forței

Regula mâinii drepte
Credit: Jfmelero, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Regla_mano_derecha_Laplace.svg, licența CC BY-SA 3.0

(Regula mâinii drepte: Poziționând degetul mare al mâinii drepte în direcția curentului convențional și celelalte degete în direcția lui B, forța asupra curentului iese din palmă. Forța este inversată pentru o sarcină negativă. )

Direcția forței asupra unei sarcini sau a unui curent poate fi determinată de o mnemonică cunoscută drept regula mâinii drepte (conform figurii). Folosind mâna dreaptă, îndreptând degetul mare în direcția curentului și celelalte degete în direcția câmpului magnetic, forța rezultată pe sarcină indică spre exteriorul palmei. Forța pe o particulă încărcată negativ are direcția opusă. Dacă viteza și sarcina sunt inversate atunci direcția forței rămâne aceeași. Din acest motiv, măsurarea câmpului magnetic (prin ea însăși) nu poate distinge dacă există o sarcină pozitivă care se deplasează spre dreapta sau o sarcină negativă care se deplasează spre stânga. (Ambele cazuri produc același curent.) Pe de altă parte, un câmp magnetic combinat cu un câmp electric poate face distincția între acestea, conform efectului Hall.

O alternativă mnemonică față de regula mâinii drepte este regula mâinii stângi a lui Flemings.

Traiectoriile particulelor datorate forței Lorentz

Deriva particulelor încărcate într-un câmp magnetic omogen
Credit: Stannered / Maschen,https://en.wikipedia.org/wiki/File:Charged-particle-drifts.svg, licența CC BY 2.5

(Deriva particulelor încărcate într-un câmp magnetic omogen. (A) Nu există forță perturbativă (B) Cu un câmp electric (C) Cu o forță independentă, F (de exemplu, gravitația) (D) Într-un câmp magnetic neomogen, grad H. )

În multe cazuri de interes practic, mișcarea într-un câmp magnetic a unei particule încărcate electric (cum ar fi un electron sau un ion în plasmă) poate fi tratată ca o suprapunere a unei mișcări circulare relativ rapide în jurul unui punct numit centrul de ghidare și o derivă relativ lentă din acest punct. Vitezele de deviație pot diferi pentru diferite specii în funcție de starea lor de încărcare, de mase sau temperaturi, eventual rezultând curenți electrici sau separarea chimică.

Semnificația forței Lorentz

În timp ce ecuațiile lui Maxwell descriu modul în care particulele încărcate electric și curenții sau particulele încărcate în mișcare dau naștere unor câmpuri electrice și magnetice, legea forței Lorentz completează acea imagine prin descrierea forței care acționează asupra unei sarcini punctuale în mișcare q în prezența câmpurilor electromagnetice. Legea forței Lorentz descrie efectul E și B asupra unei sarcini punctuale, dar forțele electromagnetice nu sunt întreaga imagine. Particulele încărcate sunt eventual cuplate la alte forțe, în special forțele gravitaționale și nucleare. Astfel, ecuațiile lui Maxwell nu rămân separate de alte legi fizice, ci sunt legate prin ele prin densitatea curentului și a sarcinii. Răspunsul unei sarcini punctuale la legea Lorentz este un aspect; generarea de E și B de curenți și sarcini este altul.

În materialele reale, forța Lorentz este inadecvată pentru a descrie comportamentul colectiv al particulelor încărcate, atât în ​​principiu, cât și ca o chestiune de calcul. Particulele încărcate într-un mediu material nu numai că răspund câmpurilor E și B, dar, de asemenea, generează aceste câmpuri. Ecuațiile de transport complexe trebuie rezolvate pentru a determina răspunsul temporal și spațial al sarcinilor, de exemplu, ecuația Boltzmann, sau ecuația Fokker-Planck, sau ecuațiile Navier-Stokes. A fost dezvoltat un întreg aparat fizic pentru rezolvarea acestor probleme.

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat 46.73 lei161.62 lei Selectează opțiunile
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat 46.73 lei161.62 lei Selectează opțiunile
Electricitate și magnetism - Electromagnetism fenomenologic
Electricitate și magnetism – Electromagnetism fenomenologic

O introducere în lumea electricității și a magnetismului, explicată în principal fenomenologic, cu ajutorul unui aparat matematic minimal, și cu exemple și aplicații din viața reală. O prezentare compactă, clară și precisă a unui domeniu care reprezintă o parte importantă … Citeşte mai mult

Nu a fost votat 23.34 lei37.38 lei Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.