ما هي قوة لورنتز

تُعرف القوة الكاملة على جسيم مشحون يتحرك بسرعة v في مجال كهربائي E ومجال مغناطيسي B باسم قوة لورنتز، وهي معطاة بواسطة F = qE + qv × B، ويُطلق عليها هذا الاسمتكريمًا للفيزيائي الهولندي هندريك أ.لورنتز.

هندريك أنتون لورنتز

هندريك أنتون لورنتز، الفيزيائي الهولندي، شرح النظريات المتعلقة بالإشعاع الكهرومغناطيسي، وركز بشكل رئيسي على العلاقة بين المغناطيسية والضوء والكهرباء.

تُعرّف قوة لورنتز على أنها مزيج من القوة المغناطيسية والكهربائية التي تؤثر على شحنة نقطية بسبب المجالات الكهرومغناطيسية، وتُستخدم في الكهرومغناطيسية وتُعرف أيضًا باسم القوة الكهرومغناطيسية. وفي عام 1895، قام هندريك لورنتز بتطوير الصيغة الحديثة لقوة لورنتز.

صيغة قوة لورنتز وشرحها

صيغة لورنتز فورس ، صيغة قوة Lorentz للجسيم المشحون هي كما يلي : F = q (E + v ∗ B) ،
F هي القوة التي تؤثر على الجسيم، q هي شحنة الجسيم الكهربائية، v هي السرعة، E هو المجال الكهربائي الخارجي، B هو المجال المغناطيسي.

وصيغة قوة Lorentz للتوزيع المستمر للشحنة هي كما يلي : قوة تمثلها dF = dq (E + v * B)، حيث dF هي قوة على قطعة صغيرة من الشحنة، وdq هي تهمة القطعة الصغيرة، وعند توزيع الشحنة الصغيرة على حجم dV، نحصل على الصيغة التالية: f = ρ (E + v * B)، حيث f هي القوة لكل وحدة حجم، و⍴ هي كثافة الشحنة، وباستخدام القاعدة اليدوية، يمكننا تحديد اتجاه القوة المغناطيسية.

يشير المصطلح الأول إلى المجال الكهربائي، في حين يشير المصطلح الثاني إلى القوة المغناطيسية التي تمتلك اتجاهًا عموديًا على السرعة والمجال المغناطيسي، وتتناسب هذه القوة مع q وحجم المنتج الناتج من القطبية المتجهة v × B. وبالنسبة لزاوية ϕ بين v و B، فإن حجم القوة يتساوى مع qvB sin ϕ.

نتيجة مثيرة للاهتمام لقوة Lorentz هي حركة جسيم مشحون في مجال مغناطيسي موحد، وإذا كانت السرعة متعامدة على القوة المغناطيسية (أي بزاوية 90 درجة بين السرعة والقوة المغناطيسية)، فإن الجسيم يتبع مسارًا دائريًا بنصف قطر r=mv/qB.

إذا كانت الزاوية ϕ أقل من 90 درجة، فإن مدار الجسيم يصبح حلزونيا حول محور مواز لخطوط المجال. وإذا كانت الزاوية ϕ تساوي الصفر، فلن يتأثر الجسيم بأي قوة مغناطيسية، وستستمر حركته على طول خطوط المجال بدون انحراف. وتستغل مسرعات الجسيمات المشحونة، مثل السيكلوترونات، حقيقة أن الجسيمات تتحرك في مدار دائري عندما تكون سرعتها v والمجال المغناطيسي 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.

عند وضع موصل في مجال B بزاوية قائمة مع التيار، تكون القوة المغناطيسية على كلا النوعين من الشحنات في نفس الاتجاه. ويؤدي هذا القوة إلى اختلاف طفيف محتمل بين جانبي الموصل. وتنتج هذه الظاهرة (المعروفة باسم تأثير هول، والتي اكتشفها الفيزيائي الأمريكي إدوين هول) عندما يتم محاذاة المجال الكهربائي مع اتجاه القوة المغناطيسية.

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.

تعتمد قوة السلك المغناطيسي على اتجاه السلك، حيث يمثل التيار حركة الشحنات في السلك. وتعمل قوة لورنتز على الشحنات المتحركة، وبما أن هذه الشحنات مرتبطة بالموصل، فإن القوى المغناطيسية الموجودة على الشحنات المتحركة يتم نقلها إلى السلك.

تعتمد قوة السلك الصغير dl على اتجاه السلك فيما يتعلق بالمجال. يتم تحديد حجم القوة بواسطة idlB sin ϕ، حيث ϕ هي الزاوية بين B و dl. لا توجد قوة عندما تكون ϕ = 0 أو 180 درجة، وهذا يتفق مع توجه التيار موازيا للحقل. تكون القوة القصوى عندما يكون التيار والميدان متعامدين تماما، وتعطى القوة بواسطة dF = idl × B. يشير المنتج المتجه إلى الاتجاه العمودي لكل من dl و B.

أهمية قوة لورنتز

تفسر قوة لورنتز المعادلات الرياضية وتوضح أهمية القوى التي تؤثر على الجسيمات المشحونة التي تسافر في الفضاء، والتي تشمل المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي، ومن هنا تتجلى أهمية قوة لورنتس.

قاعدة اليد اليمنى

تعد القاعدة اليمنى مفيدة للعثور على القوة المغناطيسية، حيث يصبح من السهل تصور الاتجاه الموضح في قانون قوة لورنتز من الشكل المعروض أعلاه، ويتضح من المفهوم أن القوة المغناطيسية تكون متعامدة مع كلٍ من المجال المغناطيسي وسرعة الشحن.

تطبيقات قوة لورنتز

فيما يلي استخدامات وتطبيقات قوة لورنتز Lorentz :

• تستخدم السيكلوترونات ومسرعات الجسيمات الأخرى قوة لورنتز.
• تعتمد غرفة الفقاعة على قوة لورنتز لإنتاج الرسم البياني والحصول على مسارات الجسيمات المشحونة.
• تعتمد تلفزيونات أنبوب أشعة الكاثود على مفهوم قوة لورنتز لتحويل الإلكترونات في خط مستقيم، حتى تهبط على نقاط محددة على الشاشة