Lorentz-voima
Magneettikenttä voi työntää liikkuvaan varaukseen, mutta vain sivusuunnassa – kohtisuorassa sekä sen nopeuteen että itse kenttään nähden. Tuo sivusuuntainen työntö ei koskaan nopeuta varausta eikä hidasta sitä; se vain taivuttaa polkua, kaartaen sen ympyräksi, jos kenttä pysyy vakiona.
Kaava
F = q · v · B
- F — voima (N): sivusuuntainen magneettinen työntö varaukseen
- q — varaus (C): sähkövarauksen määrä, jonka hiukkanen kantaa
- v — nopeus (m/s): kuinka nopeasti varaus liikkuu, tässä kohtisuorassa kenttään nähden
- B — magneettikenttä (T): magneettikentän voimakkuus, jonka läpi varaus liikkuu
Ratkaistu esimerkki
Varautunut hiukkanen, jonka varaus on 2 coulombia, liikkuu 3 metriä sekunnissa kohtisuorassa 5 teslan magneettikenttään nähden. Minkä voiman se tuntee?
- 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
Testaa itseäsi
Sama 2 coulombin varaus liikkuu nyt 3 metriä sekunnissa voimakkaamman 10 teslan kentän läpi. Mikä siihen vaikuttava voima on?
- 30 N
- 15 N
- Oikea vastaus: 60 N
Oikein! Kentän kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa voiman: 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N.
Positiivinen varaus liikkuu oikealle magneettikentän läpi, joka osoittaa kuvan sisään. Mihin suuntaan magneettivoima työntää sitä?
- Oikea vastaus: Ylöspäin
- Alaspäin
- Eteenpäin, samaan suuntaan, johon se on jo liikkeessä
Oikein! Oikean käden säännön mukaan oikealle liikkuva positiivinen varaus kentässä, joka osoittaa kuvan sisään, tuntee voiman, joka työntää sitä ylöspäin.
Missä tätä näkee
Vanha CRT-televisio ohjasi elektronisäteiltään magneettikentillä, maalaten näytön taivuttamalla varautuneita hiukkasia tuhansia kertoja sekunnissa. Revontulet ovat samaa fysiikkaa planeettamittakaavassa: auringosta tulevat varautuneet hiukkaset kiertyvät Maan magneettikenttäviivojen suuntaisesti hehkuen kaartuessaan.
Yleiset virheet
Keskeinen hienovaraisuus on, että magneettivoima ei tee työtä: F = q · v · B työntää kohtisuorassa nopeuteen nähden, joten se voi taivuttaa polkua, mutta ei koskaan nopeuttaa varausta eikä hidastaa sitä. Suunnan saaminen väärin on toinen kompastus – voima on kohtisuorassa sekä nopeuteen että kenttään nähden (oikea käsi: sormet nopeuden suunnassa, kierrä niitä kentän suuntaan, peukalo voiman suunnassa). Positiivinen varaus 3 m/s:n nopeudella 10 T kentän läpi kokee 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N sivusuunnassa.
Miten tämä kytkeytyy
Virrat luovat kenttiä ja kentät työntävät liikkuvia varauksia – sähkömagnetismin palauteparin kaksi puolta, yhden oppitunnin välein. Faradayn laki, seuraavaksi, lisää kolmannen: muuttuva kenttä luo jännitteen, joka ajaa virtaa täysin itsestään. Tämä sivusuuntainen, nopeuden säilyttävä työntö on syy, miksi moottorit pyörivät ja miksi varautuneet hiukkaset kiertävät ympyrää kiihdyttimissä.