Сила Лоренца - определение, формула и применение

Закон силы Лоренца описывает влияние E и B на точечный заряд, но такое воздействие не показывает всю картину. Заряженные частицы не просто дрейфуют в однородном электромагнитном поле. Возможно, они подвергаются и другим воздействиям, например, гравитации. В реальных материалах выводы физика не подходят для описания коллективного поведения таких частиц, как в принципе и для вычисления, поскольку тела не только реагируют на поля E и B, но и генерируют их.

Сложные уравнения переноса должны решаться для определения временной и пространственной реакции зарядов, например, равенств:

• Больцмана;
• Фоккера — Планка;
• Навье — Стокса.

К примеру, для решения вопросов по гидродинамике, электрогидродинамике, сверхпроводимости и эволюции звёзд разработан целый физический аппарат (формулы Грина — Кубо).

Для большей точности следует пояснить, что под силой Лоренца понимается следующее эмпирическое утверждение: F на пробном заряде в данной точке и данном времени является определённой функцией заряда q и скорости V, которая может быть параметризована ровно двумя векторами E и B в форме F = q (E + v x B).

Это справедливо даже для частиц, приближающихся к скорости света. Таким образом, два векторных поля (магнитное и электрическое) определяются во всём пространстве и времени относительно того, какую силу получит испытательный заряд.

Собственно, это только определение в принципе, потому что реальная частица (в отличие от гипотетической) будет генерировать собственные конечные поля E и B, изменяющие электромагнитную силу, которую он испытывает. Кроме того, когда у заряда есть ускорение, как если бы он был вынужден двигаться по искривлённой какими-либо внешними агентами траектории, от него исходит излучение, вызывающие торможение. Эти эффекты происходят как через прямое воздействие, так и косвенное. Помимо прочего, нужно учитывать гравитацию и другие силы.

Усиление и движущая ЭДС

Когда провод, несущий электрический ток, помещается в магнитное поле, каждый из движущихся зарядов, которые составляют ток, испытывает силу Лоренца. Вместе они могут создавать макроскопическую силу Лапласа. Исходя из этого, получается формула F = Iℓ x B, где ℓ — вектор, величина которого и есть длина проволоки. Его направление выровнено с движением обычного тока.

Если проволока не прямая, а изогнутая, расчёт происходит путём применения этого уравнения к каждому бесконечно малому сегменту проводника d ℓ. Затем нужно сложить всё посредством интегрирования. Формально чистая сила равна F = I ∫ dℓ x B. Кроме того, обычно возникает крутящий момент и другие эффекты, если провод не является абсолютно жёстким.

Компонент (qv x B) отвечает за движущую электродвижущей силы (ЭДС). Это явление, лежащее в основе многих электрических генераторов, исключая те, в которых движутся только магниты, а не проводники. В таких случаях ЭДС обусловлена (q E). Такое явление описано уравнением Максвелла — Фарадея.

Обе ЭДС, несмотря на их различное происхождение, описаны законом индукции Фарадея. Теория относительности Эйнштейна была частично мотивирована желанием лучше понять эту связь между двумя эффектами. На самом деле, электрические и магнитные поля являются разными гранями одного и того же электромагнитного поля. Поэтому при переходе от одной инерциальной системы отсчёта в другую (соленоидальное векторное поле) часть E может измениться в целом или частично стать B или наоборот.

Интеграция в другие направления

Применение силы Лоренца и её взаимодействие с другими смежными науками очевидно. Взять хоть аналитическую механику. Например, лоренцевское уравнение можно получить, используя формулы Лагранжа.

Также релятивную форму этого закона можно решить с помощью пространственно-временной алгебры (тип Клиффорда). В общей теории относительности уравнение движения для частицы с массой m и зарядом e, движущейся в пространстве с метрическим тензором g ab и электромагнитным полем F ab, имеет следующее выражение:

• m du c / ds — m ½ g ab, c u ^a u ^b = eF cb u ^b ;

• m du c / ds — m Г abc u ^a u ^b = eF cb u ^b .

Из закона индукции Фарадея (который действителен для движущейся проволоки, например, в двигателе) и уравнений Максвелла можно вывести силу Лоренца. Направление расчётов в обратную сторону также верно. Фарадеевский постулат не зависит от того, является ли проволочная петля жёсткой и неподвижной, находится ли она в движении или в процессе деформации, сохраняется ли магнитное поле постоянным во времени или оно изменяется. Однако есть случаи, когда закон либо неадекватен, либо труден в использовании. Именно здесь необходимо применение основополагающего закона Лоренца.

Широкое применение

Первыми приборами для предполагаемых открытий стали циклотроны. Смысл их работы довольно прост: частицы двигаются полукругом. Каждый раз, когда они проходят определённую область, специальный модуль включает электрическое поле, чтобы ускорить их.

Масс-спектрометры применяются для идентификации атомов и молекул. Они используются в следующих устройствах:

• электродвигатели;
• громкоговорители;
• рельсовые пистолеты.

Способность силы Лоренца связывать механическое смещение с электрическим током представляет большой интерес для медицинской акустики. Например, разрабатывался гидрофон для картирования скорости частиц акустического поля. Предполагалось, что он будет построен с использованием тонкого медного провода и внешнего магнитного поля.

Модель была разработана для определения взаимосвязи между акустическим давлением и измеренным электрическим током, который индуцируется, когда провод вибрирует в акустическом поле ультразвукового преобразователя.

Созданный прототип был охарактеризован. Было исследовано его пространственное разрешение, частотная характеристика, чувствительность, надёжность и характеристика направленности. Был также изучен метод визуализации, называемый электрической импедансной томографией. В этом методе биологическая ткань вибрирует ультразвуком в магнитном поле, которое индуцирует электрический ток. Этот метод был применён для визуализации желатинового фантома, образца мышц говядины и термического поражения в образце куриной грудки. Это показало, что метод может быть полезен для обеспечения дополнительного контраста по сравнению с обычной ультразвуковой визуализацией.