Siła Lorentza
Pole magnetyczne może pchać ruchomy ładunek, ale tylko bokiem — prostopadle i do jego prędkości, i do samego pola. To boczne pchnięcie nigdy nie przyspiesza ładunku ani go nie zwalnia; tylko zgina tor, zakrzywiając go w okrąg, jeśli pole pozostaje stałe.
Wzór
F = q · v · B
- F — siła (N): boczne magnetyczne pchnięcie na ładunek
- q — ładunek (C): ilość ładunku elektrycznego niesiona przez cząstkę
- v — prędkość (m/s): jak szybko ładunek się porusza, tu prostopadle do pola
- B — pole magnetyczne (T): natężenie pola magnetycznego, przez który ładunek się porusza
Przykład rozwiązany
Naładowana cząstka o ładunku 2 kulombów porusza się z 3 metry na sekundę, prostopadle do pola magnetycznego 5 tesli. Jaką czuje siłę?
- 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
Sprawdź się
Ten sam ładunek 2 kulombów porusza się teraz z 3 metrów na sekundę przez silniejsze pole 10 tesli. Jaka działa na niego siła?
- 30 N
- 15 N
- Poprawna odpowiedź: 60 N
Zgadza się! Podwojenie pola podwaja siłę: 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N.
Dodatni ładunek porusza się w prawo przez pole magnetyczne wskazujące w głąb kartki. W którą stronę pcha go siła magnetyczna?
- Poprawna odpowiedź: W górę
- W dół
- W przód, w tym samym kierunku, w którym już leci
Poprawnie! Regułą prawej dłoni, dodatni ładunek lecący w prawo w polu wskazującym w głąb kartki czuje siłę pchającą go w górę.
Gdzie to widzisz
Stary telewizor kineskopowy kierował swoją wiązkę elektronów polami magnetycznymi, malując ekran przez zakrzywianie torów naładowanych cząstek tysiące razy na sekundę. Zorza polarna to ta sama fizyka w skali planety: naładowane cząstki ze słońca płyną spiralnie wzdłuż linii pola magnetycznego Ziemi, świecąc, gdy zakręcają.
Częste błędy
Kluczowa subtelność polega na tym, że siła magnetyczna nie wykonuje pracy: F = q · v · B pcha prostopadle do prędkości, więc może zginać tor, ale nigdy nie przyspiesza ładunku ani go nie zwalnia. Drugi potykacz to pomylenie kierunku — siła jest prostopadła i do prędkości, i do pola (prawa dłoń: palce wzdłuż prędkości, zegnij je ku polu, kciuk wzdłuż siły). Dodatni ładunek lecący z 3 m/s przez pole 10 T czuje 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N skierowane na bok.
Jak się to łączy
Prądy tworzą pola, a pola pchają ruchome ładunki — dwie połowy elektromagnetycznej pary sprzężenia zwrotnego, odległe o jedną lekcję. Prawo Faradaya, następna lekcja, dodaje trzeci element: zmieniające się pole tworzy napięcie, które całkiem samodzielnie napędza prąd. To boczne pchnięcie, zachowujące prędkość, sprawia, że silniki się kręcą, a naładowane cząstki biegają w kółko w akceleratorach.