洛伦兹力
磁场可以推动运动的电荷,但只能横向推动——垂直于电荷的速度方向和磁场方向。这种横向的推力永远不会使电荷加速或减速,它只会使运动路径发生弯曲;如果磁场保持恒定,电荷就会沿圆周运动。
公式
F = q · v · B
- F — 力 (N): 磁场对电荷施加的横向推力
- q — 电荷量 (C): 粒子所带的电荷量
- v — 速度 (m/s): 电荷运动的快慢,这里指垂直于磁场方向的速度
- B — 磁场 (T): 电荷所经过的磁场的强度
解题示例
一个带电量为2库仑的带电粒子,以3米每秒的速度运动,方向垂直于一个5特斯拉的磁场。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
自我检测
同样带电2库仑的电荷,现在以3米每秒的速度穿过一个更强的10特斯拉磁场。它受到的力是多少?
- 30 N
- 15 N
- 正确答案: 60 N
正确!磁场增大一倍,力也增大一倍:2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N。
一个正电荷向右运动,穿过一个指向纸面内部的磁场。磁场力会把它推向哪个方向?
- 正确答案: 向上
- 向下
- 向前,与它原本运动的方向相同
正确!根据右手定则,一个向右运动的正电荷,在指向纸面内部的磁场中,会受到一个向上的推力。
在哪里能看到
老式 CRT 电视机用磁场操控电子束,每秒把带电粒子偏折数千次,从而“画”出屏幕。北极光是同一套物理在行星尺度上的上演:来自太阳的带电粒子沿着地球的磁感线做螺旋运动,在拐弯处发出光来。
常见误区
最关键的微妙之处在于磁场力不做功:F = q · v · B 垂直于速度方向推,所以它能让路径弯曲,却永远不能让电荷加速或减速。另一个常见失误是搞错方向——力同时垂直于速度和磁场(右手:手指指向速度,朝磁场的方向弯过去,拇指就指向力)。一个以 3 m/s 运动的正电荷穿过 10 T 的磁场时,受到的侧向力为 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N。
关联知识
电流产生磁场,磁场又推动运动的电荷——这是电磁学反馈对的两个半环,前后相隔一课。下一课的法拉第定律补上第三个:变化的磁场完全靠自己产生电压、驱动电流。正是这种不改变速率的侧向推力,让电动机转起来,也让带电粒子在加速器里绕圈跑。