Fizik daya Lorentz

Lorentz kuasa, daya yang dikenakan pada q zarah bercas yang bergerak dengan halaju v melalui elektrik E dan medan magnet B. Seluruh tenaga elektromagnet F ke atas zarah yang dikenakan dipanggil daya Lorentz (selepas ahli fizik Belanda Hendrik A. Lorentz) dan diberikan oleh F = q E + q v × B.

Istilah pertama disumbangkan oleh medan elektrik. Istilah kedua adalah daya magnet dan mempunyai arah tegak lurus terhadap kedua-dua halaju dan medan magnet. Daya magnet adalah berkadar dengan q dan kepada magnitud vektor produk silang v × B. Dari segi sudut ϕ antara v dan B, besarnya daya sama dengan sinus qvB ϕ. Hasil yang menarik dari daya Lorentz adalah pergerakan zarah bermuatan dalam medan magnet yang seragam. Sekiranya v tegak lurus ke B (iaitu, dengan sudut ϕ antara v dan B90 °), zarah tersebut akan mengikuti lintasan bulat dengan radius r = mv / qB. Sekiranya sudut ϕ kurang dari 90 °, orbit zarah akan menjadi heliks dengan paksi yang selari dengan garis medan. Sekiranya ϕ adalah sifar, tidak akan ada daya magnet pada zarah, yang akan terus bergerak tidak terpantul di sepanjang garis medan. Pemecut zarah bermuatan seperti siklotron memanfaatkan fakta bahawa zarah bergerak dalam orbit bulat ketika v dan B berada pada sudut tepat. Untuk setiap revolusi, medan elektrik yang diberi masa dengan berhati-hati memberikan zarah tambahan tenaga kinetik, yang menjadikannya bergerak dalam orbit yang semakin besar. Apabila zarah-zarah telah memperoleh tenaga yang diinginkan, ia diekstraksi dan digunakan dalam beberapa cara yang berbeza, dari kajian asas mengenai sifat jirim hingga rawatan kanser.

Daya magnet pada muatan bergerak menunjukkan tanda pembawa cas pada konduktor. Arus yang mengalir dari kanan ke kiri dalam konduktor boleh menjadi hasil pembawa cas positif yang bergerak dari kanan ke kiri atau cas negatif yang bergerak dari kiri ke kanan, atau beberapa kombinasi masing-masing. Apabila konduktor diletakkan di medan B yang berserenjang dengan arus, daya magnet pada kedua-dua jenis pembawa muatan berada dalam arah yang sama. Daya ini menimbulkan perbezaan potensi kecil antara sisi konduktor. Dikenali sebagai kesan Hall, fenomena ini (ditemui oleh ahli fizik Amerika Edwin H. Hall) berlaku apabila medan elektrik diselaraskan dengan arah daya magnet. Kesan Hall menunjukkan bahawa elektron menguasai pengaliran elektrik dalam tembaga. Walau bagaimanapun, pada zink, konduksi didominasi oleh pergerakan pembawa cas positif. Elektron dalam zink yang teruja dari lubang cuti pita valensi, yang merupakan kekosongan (iaitu, tahap tidak diisi) yang berkelakuan seperti pembawa cas positif. Gerakan lubang ini menyumbang kepada sebahagian besar pengaliran elektrik dalam zink.

Sekiranya wayar dengan arus i diletakkan di medan magnet luaran B, bagaimana daya pada wayar bergantung pada orientasi wayar? Oleh kerana arus mewakili pergerakan cas dalam wayar, daya Lorentz bertindak pada cas bergerak. Oleh kerana cas ini terikat pada konduktor, daya magnet pada cas bergerak dipindahkan ke wayar. Daya secara kecil panjang d l wayar bergantung kepada orientasi wayar berkenaan dengan padang. Besar daya diberikan oleh id lB sin ϕ, di mana ϕ adalah sudut antara B dan d l. Tidak ada daya ketika ϕ = 0 atau 180 °, keduanya sesuai dengan arus sepanjang arah yang selari dengan medan. Daya maksimum ketika arus dan medan tegak lurus antara satu sama lain. Kuasa itu diberikan BYD F = id l × B.

Sekali lagi, produk vektor salib menandakan serenjang arah kedua-duanya d l dan B.