نیروی لورنتس
میدان مغناطیسی می‌تواند بار متحرک را هل دهد، اما فقط از پهلو — عمود بر سرعتش و بر خودِ میدان. این هلِ جانبی هرگز بار را تند یا کند نمی‌کند؛ فقط مسیرش را خم می‌کند و اگر میدان ثابت بماند، آن را دایره‌ای می‌کند.
فرمول
F = q · v · B
- F — نیرو (N): هلِ مغناطیسی جانبی به بار
- q — بار (C): مقدار بار الکتریکی ذره
- v — سرعت (m/s): بار با چه تندی حرکت می‌کند، این‌جا عمود بر میدان
- B — میدان مغناطیسی (T): شدت میدان مغناطیسی‌ای که بار از میانش می‌گذرد
مثال حل‌شده
ذرهٔ بارداری با بار 2 کولن با تندی 3 متر بر ثانیه، عمود بر میدان مغناطیسی 5 تسلا حرکت می‌کند. چه نیرویی احساس می‌کند؟
- q = 2 C
- v = 3 m/s
- B = 5 T
- F = q · v · B
- F = 2 C · 3 m/s · 5 T
F = 30 N
خودتان را بیازمایید
همان بار 2 کولنی حالا با 3 متر بر ثانیه از میدان قوی‌ترِ 10 تسلا می‌گذرد. نیرویش چند است؟
- 30 N
- 15 N
- پاسخ درست: 60 N
درست است! دوبرابرکردن میدان نیرو را دوبرابر می‌کند: 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N.
بار مثبتی به راست حرکت می‌کند در میدان مغناطیسی‌ای رو به درون صفحه. نیروی مغناطیسی به کدام سو آن را می‌هلد؟
- پاسخ درست: به بالا
- به پایین
- به جلو، در همان جهتی که از قبل می‌رود
درست! با قانون دست راست، بار مثبتِ راست‌رو در میدانی که به درون صفحه است، نیرویی رو به بالا احساس می‌کند.
کجا آن را می‌بینید
تلویزیون‌های قدیمی CRT پرتو الکترونی‌شان را با میدان‌های مغناطیسی هدایت می‌کردند و با خم‌کردن ذرات باردار، هزاران بار در ثانیه تصویر را روی صفحه نقش می‌بستند. شفق قطبی شمالی همین فیزیک در مقیاس سیاره‌ای است: ذرات باردارِ آمده از خورشید در طول خطوط میدان مغناطیسی زمین به‌شکل مارپیچ می‌چرخند و همان‌طور که مسیرشان خم می‌شود می‌درخشند.
اشتباهات رایج
نکتهٔ ظریفِ کلیدی این است که نیروی مغناطیسی کار انجام نمی‌دهد: F = q · v · B عمود بر سرعت هل می‌دهد، پس می‌تواند مسیر را خم کند اما هرگز بار را تندتر یا کندتر نمی‌کند. اشتباه گرفتن جهت، لغزش دیگر است — نیرو هم بر سرعت و هم بر میدان عمود است (دست راست: انگشتان در راستای سرعت، خم‌کردن آن‌ها به سمت میدان، شست در راستای نیرو). بار مثبتی با سرعت 3 m/s که از میدان 10 T می‌گذرد، نیرویی جانبی به اندازهٔ 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N حس می‌کند.
چگونه ارتباط دارد
جریان‌ها میدان می‌سازند و میدان‌ها بار متحرک را می‌هلند — دو نیمهٔ جفتِ بازخورد الکترومغناطیس، با فاصلهٔ یک درس. قانون فارادی، در درس بعد، سومین عضو را می‌افزاید: میدان متغیر، ولتاژی می‌سازد که کاملاً خودش جریانی را به راه می‌اندازد. همین هلِ جانبیِ نگاه‌دارندهٔ سرعت است که موتورها را می‌چرخاند و ذرات باردار را در شتاب‌دهنده‌ها دایره‌وار می‌گرداند.