洛倫茲力
磁場可以推動運動的電荷,但只能橫向推動——垂直於電荷的速度方向和磁場方向。這種橫向的推力永遠不會使電荷加速或減速,它只會使運動路徑發生彎曲;如果磁場保持恆定,電荷就會沿圓周運動。
公式
F = q · v · B
- F — 力 (N): 磁場對電荷施加的橫向推力
- q — 電荷量 (C): 粒子所帶的電荷量
- v — 速度 (m/s): 電荷運動的快慢,這裡指垂直於磁場方向的速度
- B — 磁場 (T): 電荷所經過的磁場的強度
解題示例
一個帶電量為2庫侖的帶電粒子,以3米每秒的速度運動,方向垂直於一個5特斯拉的磁場。它受到的力是多少?
- 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
自我檢測
同樣帶電2庫侖的電荷,現在以3米每秒的速度穿過一個更強的10特斯拉磁場。它受到的力是多少?
- 30 N
- 15 N
- 正確答案: 60 N
正確!磁場增大一倍,力也增大一倍:2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N。
一個正電荷向右運動,穿過一個指向紙面內部的磁場。磁場力會把它推向哪個方向?
- 正確答案: 向上
- 向下
- 向前,與它原本運動的方向相同
正確!根據右手定則,一個向右運動的正電荷,在指向紙面內部的磁場中,會受到一個向上的推力。
在哪裡能看到
老式的 CRT 電視機靠磁場操縱電子束,每秒把帶電粒子折彎數千次,在螢幕上掃出畫面。北極光則是同一套物理的行星尺度版本:來自太陽的帶電粒子沿著地球的磁力線螺旋前進,一邊轉彎一邊發光。
常見誤解
最關鍵的細微之處,在於磁力不作功:F = q · v · B 垂直於速度方向推,所以它能讓路徑彎曲,卻永遠不能讓電荷加速或減速。另一個常見失誤是把方向搞錯——這個力同時垂直於速度和磁場(右手定則:手指指向速度方向,彎向磁場方向,拇指指的就是力的方向)。一個以 3 m/s 運動的正電荷穿過 10 T 的磁場,會感受到 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N 的側向力。
關聯知識
電流產生磁場,磁場推動運動中的電荷——這是電磁學回饋機制的兩半,彼此相隔一課。下一課的法拉第電磁感應定律補上第三片拼圖:變化的磁場能自行產生電壓、驅動電流。這種不改變速率的側推力,正是馬達會旋轉、帶電粒子在加速器裡繞圈的原因。