ما هي قوة لورنتز

قوة لورنتز ، القوة التي تمارس على جسيم مشحون يتحرك بسرعة v ، من خلال مجال كهربائي E ، ومجال مغناطيسي B ، وتسمى القوة الكهرومغناطيسية F الكاملة على الجسيم المشحون قوة Lorentz (نسبة إلى الفيزيائي الهولندي هندريك أ.لورنتز) ، و معطاة بواسطة F = qE + qv × B.

هندريك أنتون لورنتز

هندريك أنتون لورنتز كان فيزيائيًا هولنديًا ، شرح النظريات المتعلقة بالإشعاع الكهرومغناطيسي ، وركز بشكل رئيسي على العلاقة بين المغناطيسية ، والضوء ، والكهرباء.

ويتم تعريف قوة لورنتز على أنها مزيج من القوة المغناطيسية والكهربائية ، على شحنة نقطية بسبب المجالات الكهرومغناطيسية ، ويتم استخدامه في الكهرومغناطيسية ويعرف أيضًا بالقوة الكهرومغناطيسية ، وفي عام 1895 ، استمد هندريك لورنتز الصيغة الحديثة لقوة لورنتز. [1]

صيغة قوة لورنتز وشرحها

صيغة لورنتز فورس ، صيغة قوة Lorentz للجسيم المشحون هي كما يلي :

F = q (E + v


∗


B)

،

F هي القوة المؤثرة على الجسيم ، q هي الشحنة الكهربائية للجسيم ، v هي السرعة ، E هو المجال الكهربائي الخارجي ، B هو المجال المغناطيسي.

وصيغة قوة Lorentz للتوزيع المستمر للشحنة هي كما يلي :

dF = dq (E + v


∗


B)

، dF هي قوة على قطعة صغيرة من الشحنة ،  dq هي تهمة قطعة صغيرة ، وعندما يتم تقسيم توزيع قطعة صغيرة من الشحن على حجم dV ، فيما يلي الصيغة :

f = ρ (E + v * B)

، و f هي القوة لكل وحدة حجم ،⍴  هي كثافة الشحن ، وبمساعدة القاعدة اليمنى ، يصبح من السهل العثور على اتجاه الجزء المغناطيسي للقوة.

المصطلح الأول يساهم به المجال الكهربائي ، والمصطلح الثاني هو القوة المغناطيسية ، وله اتجاه عمودي على كل من السرعة والمجال المغناطيسي ، وتتناسب القوة المغناطيسية مع q وإلى حجم المنتج المتجه المتجه v × B. من حيث الزاوية ϕ بين v و B ، فإن حجم القوة يساوي qvB sin ϕ.

ونتيجة مثيرة للاهتمام لقوة Lorentz ، هي حركة جسيم مشحون في مجال مغناطيسي موحد ، وإذا كانت v متعامدة على B (أي بزاوية ϕ بين v و B 90 °) ، فإن الجسيم يتبع مسارًا دائريًا بنصف قطر r = mv / qB.

وإذا كانت الزاوية ϕ أقل من 90 درجة ، فسيكون مدار الجسيم حلزونًا بمحور موازٍ لخطوط المجال ، وإذا كانت ϕ تساوي صفر ، فلن تكون هناك قوة مغناطيسية على الجسيم ، والتي ستستمر في التحرك دون انحراف على طول خطوط المجال ، وتستغل مسرعات الجسيمات المشحونة مثل السيكلوترونات حقيقة أن الجسيمات تتحرك في مدار دائري عندما تكون v و B بزاوية قائمة.

ولكل ثورة ، يمنح المجال الكهربائي الموقوت بعناية الجسيمات طاقة حركية إضافية ، مما يجعلها تسافر في مدارات أكبر بشكل متزايد ، وعندما تكتسب الجسيمات الطاقة المطلوبة ، يتم استخراجها واستخدامها بعدد من الطرق المختلفة ، بدءًا من دراسات الجسيمات دون الذرية إلى العلاج الطبي للسرطان.

وتكشف القوة المغناطيسية الموجودة على شحنة متحركة علامة حاملات الشحن في الموصل ، ويمكن أن يكون التيار المتدفق من اليمين إلى اليسار في الموصل ناتجًا عن حاملات الشحن الموجبة التي تنتقل من اليمين إلى اليسار ، أو الشحنات السلبية تتحرك من اليسار إلى اليمين ، أو مزيج من كل منهما.

وعندما يتم وضع موصل في مجال B متعامد مع التيار ، تكون القوة المغناطيسية على كلا النوعين من حاملات الشحن في نفس الاتجاه ، وتؤدي هذه القوة إلى اختلاف طفيف محتمل بين جانبي الموصل ، وهذه الظاهرة (التي اكتشفها الفيزيائي الأمريكي إدوين هـ. هول) ، المعروفة بتأثير هول ، تنتج عندما يتم محاذاة المجال الكهربائي مع اتجاه القوة المغناطيسية.[2]

ويظهر تأثير هول أن الإلكترونات تهيمن على توصيل الكهرباء بالنحاس ، وفي الزنك ، ومع ذلك ، تهيمن حركة حاملات الشحنة الموجبة على التوصيل ، الإلكترونات الموجودة في الزنك المستثارة من شريط التكافؤ تترك ثقوبًا ، وهي وظائف شاغرة (أي مستويات غير معبأة) ، وتتصرف مثل حاملات الشحنة الموجبة ، وتمثل حركة هذه الثقوب معظم توصيل الكهرباء في الزنك.

والقوة على السلك تعتمد على اتجاه السلك ، وبما أن التيار يمثل حركة الشحنات في السلك ، فإن قوة Lorentz تعمل على الشحنات المتحركة ، ونظرًا لأن هذه الشحنات مرتبطة بالموصل ، يتم نقل القوى المغناطيسية الموجودة على الشحنات المتحركة إلى السلك.

كما تعتمد القوة على طول السلك الصغير dl على اتجاه السلك ، فيما يتعلق بالمجال ، ويُعطى حجم القوة بواسطة idlB sin ϕ ، حيث ϕ هي الزاوية بين B و dl ، ولا توجد قوة عندما ϕ = 0 أو 180 درجة ، وكلاهما يتوافق مع التيار على طول اتجاه موازٍ للحقل ، وتكون القوة عند الحد الأقصى عندما يكون التيار والميدان ، متعامدين مع بعضهما البعض ، ويتم إعطاء القوة من قبل

dF = idl × B

، ومرة أخرى ، يشير المنتج المتجه المتجه إلى اتجاه عمودي لكل من دل و ب.

أهمية قوة لورنتز

تشرح قوة لورنتز المعادلات الرياضية ، إلى جانب الأهمية المادية للقوى التي تعمل على الجسيمات المشحونة التي تسافر عبر الفضاء ، والذي يحتوي على المجال الكهربائي ، والمغناطيسي ، وهنا تكمن أهمية قوة لورنتز.

قاعدة اليد اليمنى

القاعدة اليمنى مفيدة للعثور على القوة المغناطيسية ، حيث يصبح من السهل تصور الاتجاه كما هو موضح في قانون قوة لورنتز ، من الشكل أعلاه ، من المفهوم أن القوة المغناطيسية ، متعامدة مع كل من المجال المغناطيسي ، وسرعة الشحن.[3]

تطبيقات قوة لورنتز

فيما يلي استخدامات وتطبيقات قوة لورنتز Lorentz :

• تستخدم السيكلوترونات ، ومسرعات الجسيمات الأخرى قوة لورنتز.
• تستخدم غرفة الفقاعة قوة Lorentz ، لإنتاج الرسم البياني ، للحصول على مسارات الجسيمات المشحونة.
• تستخدم تلفزيونات أنبوب أشعة الكاثود ، مفهوم قوة لورنتز لتحريف الإلكترونات في خط مستقيم ، حتى تهبط على نقاط محددة على الشاشة.[4]