Сила Лоренца
Магнитное поле может толкать движущийся заряд, но только вбок — перпендикулярно и его скорости, и самому полю. Этот боковой толчок никогда не разгоняет и не тормозит заряд; он лишь изгибает путь, закручивая его в окружность при постоянном поле.
Формула
F = q · v · B
- F — сила (N): боковой магнитный толчок на заряд
- q — заряд (C): количество электрического заряда, несомое частицей
- v — скорость (m/s): как быстро движется заряд, здесь перпендикулярно полю
- B — магнитное поле (T): напряжённость магнитного поля, через которое движется заряд
Решённый пример
Заряженная частица с зарядом 2 coulombs движется на 3 meters per second перпендикулярно магнитному полю 5 tesla. Какую силу она чувствует?
- 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
Проверьте себя
Тот же заряд 2 coulomb движется на 3 meters per second сквозь более сильное поле 10 tesla. Какова сила на нём?
- 30 N
- 15 N
- Правильный ответ: 60 N
Верно! Удвоение поля удваивает силу: 2 Кл × 3 м/с × 10 Тл = 60 Н.
Положительный заряд движется вправо сквозь магнитное поле, направленное «от нас» (в страницу). Куда магнитная сила его толкает?
- Правильный ответ: Вверх
- Вниз
- Вперёд, в направлении его движения
Верно! По правилу правой руки заряд, движущийся вправо в поле «в страницу», чувствует силу вверх.
Где вы это видите
Старый кинескопный телевизор управлял электронным лучом магнитными полями, рисуя изображение на экране отклонением заряженных частиц тысячи раз в секунду. Северное сияние — та же физика в планетарном масштабе: заряженные частицы с Солнца движутся спиралью вдоль линий магнитного поля Земли, светясь на поворотах.
Частые ошибки
Ключевая тонкость в том, что магнитная сила не совершает работы: F = q · v · B толкает перпендикулярно скорости, поэтому она может изогнуть траекторию, но никогда не разгоняет заряд и не тормозит его. Другая частая ошибка — неверное направление: сила перпендикулярна и скорости, и полю (правая рука: пальцы вдоль скорости, загните к полю — большой палец вдоль силы). Положительный заряд, летящий на 3 m/s сквозь поле 10 T, чувствует боковую силу 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N.
Как это связано
Токи создают поля, а поля толкают движущиеся заряды — две половины электромагнитной пары с обратной связью, разделённые одним уроком. Закон Фарадея, следующий, добавляет третье: меняющееся поле само по себе создаёт напряжение, которое гонит ток. Именно этот боковой толчок, сохраняющий скорость, объясняет, почему крутятся двигатели и почему заряженные частицы бегают по кругу в ускорителях.