Se știe că curentul electric este mișcarea ordonată a particulelor încărcate. În timp ce se deplasează într-un câmp magnetic, fiecare dintre aceste particule este supusă unei forțe. Forța Lorentz este forța care acționează asupra unei particule încărcate electric atunci când aceasta se deplasează într-un câmp magnetic. Direcția sa este ortogonală la planul în care se află vectorii de viteză ai particulei și intensitatea câmpului magnetic.
Determinarea direcției forței Lorentz folosind regula mâinii stângi
Deoarece în lumea macroobiectelor forța Lorentz se manifestă ca o forță Ampere, putem folosi regula mâinii stângi pentru a afla direcția acesteia. Cu mâna stângă poziționată perpendicular pe liniile câmpului magnetic și cu fața la acestea, cele patru degete trebuie să fie întinse în direcția curentului, apoi forța Lorentz va fi direcționată în direcția în care arată degetul mare, care trebuie să fie îndoit.
Mișcarea unei particule încărcate într-un câmp magnetic
În cazul cel mai simplu, adică în cazul ortogonalității vectorilor inducției magnetice și vitezei particulei, forța Lorentz, fiind perpendiculară pe vectorul viteză, nu poate schimba decât direcția acesteia. Mărimea vitezei, prin urmare, energia va rămâne neschimbată. Astfel, forța Lorentz acționează prin analogie cu forța centripetă din mecanică, iar particula se deplasează în cerc. Conform celor trei legi fundamentale citate, raza de rotație poate fi determinată din legea a doua a lui Newton, iar perioada de rotație T este independentă de viteză.
Din formularea generală, forța Lorentz are modul F = q (v × B), iar forma vectorială arată clar că produsul vectorial oferă un vector perpendicular atât pe direcția vitezei, cât și pe direcția câmpului magnetic. Astfel, forța este maximă când direcțiile curentului electric și a câmpului magnetic sunt perpendiculare, și scade la paralelismul lor.
În cazul în care unghiul dintre viteza particulei și intensitatea câmpului magnetic este arbitrar, traiectoria este elicoidală, cu o componentă paralelă la câmpul magnetic și o componentă circumscrisă în jurul său sub influența componentei perpendiculare a câmpului.
Aplicații practice în inginerie
Kinescope
Kinescopul, folosit în televizoare vechi, funcționează pe principiul forței Lorentz. Un fascicul de electroni este deflectat de bobinele deflectoare care generează câmpuri magnetice variabile liniar; bobinele de linie deplasează fasciculul pe direcția orizontală, iar bobinele de cadru pe direcția verticală, realizând astfel imaginea pe ecran.
Spectrometru de masă
Un spectrograf de masă exploatează relația dintre raza de rotație a unei particule încărcate și sarcina acesteia pentru a determina masa particulei. O sursă de particule încărcate accelerează particulele într-o cameră de vid, iar traiectoria în formă de arc determină punctul de impact pe o placă fotografică, în funcție de încărcarea specifică.
Ciclotron
Un ciclotron accelerează particulele la viteze mari folosind un câmp magnetic omogen constant și un câmp electric alternativ al cărui offset are frecvența de rotație a particulei. Particula este accelerată de fiecare dată când trece între două componente, crescând raza traiectoriei, până când iese printr-o fereastră de trecere, putând ajunge la energii semnificative, cum ar fi 20 MeV pentru protoni.
Magnetron
Magnetronul, utilizat în cuptoarele cu microunde, funcționează prin utilizarea forței Lorentz pentru a controla traiectoria electronilor în interiorul cavității, generând câmpuri de microunde care încălzesc materialele din interior.
Câmpul magnetic al Pământului
Forța Lorentz are rol crucial în natură, deoarece câmpul magnetic al Pământului o menține în fluide planetare, protejând suprafața de radiațiile ionizante din spațiu. Un electron sau un ion care se deplasează într-un câmp magnetic static urmează o cale elicoidală, iar forța magnetică este perpendiculară atât pe viteză, cât și pe câmpul care a creat-o. Forța poate face lucrul mecanic indirect prin câmpul electric generat de schimbări ale câmpului magnetic.
Concluzii pentru înțelegerea comportamentului încărcărilor în câmpuri electromagnetice
Ecuațiile lui Maxwell descriu modul în care particulele încărcate și curenții dau naștere câmpurilor electrice și magnetice, însă Legea forței Lorentz completează această imagine, descriind forța asupra unei sarcini în mișcare într-un câmp E și B. În mediile reale, forța Lorentz poate fi insuficientă pentru a descrie comportamentul colectiv al particulelor încărcate; ecuațiile de transport precum Boltzmann sau Fokker-Planck pot deveni necesare pentru a determina răspunsul spațial și temporal.
Lorentz Force || Animated Video || Magnetism || Physics
Note despre norma de unități
În rezolvările cantitative, se folosesc unitățile SI: inducția magnetică în tesla (T), forța în Newtoni (N), curentul în amperi (A), sarcina în couloni (C), lungimea în metri (m), viteza în metri pe secundă (m/s).
Forța Lorentz pe un curent macroscopic este adesea denumită forța Laplace. Pentru un conductor cu lungimea ℓ, secțiunea transversală A și sarcina q datorită curentului i, direcția forței fiind dată de regula mâinii drepte. Dacă viteza și sarcina inversează, direcția forței rămâne aceeași, indicând o independență relativă între semnul sarcinii și orientarea curentului în cazul calculului modulului forței.
tags: #cum #actioneaza #un #camp #magnetic #asupra
Postări populare:
- Idei de activități pentru grupă bebe în cadrul proiectului tematic antepreșcolar
- Aptamil: beneficii, tipuri disponibile
- Instrucțiuni detaliate pentru Chicco Humi3: cum să folosești umidificatorul
- Ghid complet pentru viitorii medici pediatri: studii, cerințe și pregătire
- Simptomele chisturilor ovariene în sarcină