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ローレンツ力物理学

ローレンツ力物理学
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ビデオ: 【高校物理】 電磁気62 ローレンツ力 (15分) 2024, 九月

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ローレンツ力、電場Eと磁場Bを速度vで移動する荷電粒子qにかかる力。荷電粒子に対する電磁力F全体は、ローレンツ力(オランダの物理学者ヘンドリクA.ローレンツの後)と呼ばれ、F = q E + q v × Bで与えられます。

最初の項は電界によって寄与されます。2番目の項は磁力であり、速度と磁場の両方に垂直な方向を持っています。磁力はqとベクトルの外積v × Bの大きさに比例します。vBの間の角度Inに関して、力の大きさはqvB sin ϕに等しくなります。ローレンツ力の興味深い結果は、均一な磁場における荷電粒子の動きです。vBに垂直である場合(つまり、vBの間の角度がwithの場合)90°)の場合、粒子は半径r = mv / qBの円軌道をたどります。角度ϕが90°未満の場合、粒子軌道は軸が磁力線に平行ならせんになります。ϕがゼロの場合、粒子に磁力は​​なく、磁力線に沿って偏向せずに動き続けます。サイクロトロンのような荷電粒子加速器は、vBが直角のときに粒子が円軌道を移動するという事実を利用しています。回転ごとに、慎重にタイミングを合わせた電場が粒子に追加の運動エネルギーを与え、粒子がますます大きな軌道を移動するようにします。粒子が所望のエネルギーを獲得すると、それらは抽出され、物質の特性の基本的な研究から癌の治療まで、さまざまな方法で使用されます。

移動する電荷に対する磁力は、導体内の電荷キャリアの兆候を明らかにします。導体を右から左に流れる電流は、正の電荷キャリアが右から左に移動するか、負の電荷が左から右に移動するか、またはそれぞれの組み合わせの結果です。導体が電流に垂直なB磁場に置かれると、両方のタイプの電荷担体への磁力は同じ方向になります。この力により、導体の側面間にわずかな電位差が生じます。ホール効果として知られているこの現象(アメリカの物理学者エドウィンH.ホールによって発見された)は、電場が磁力の方向と整列したときに発生します。ホール効果は、電子が銅の電気伝導を支配することを示しています。ただし、亜鉛では、伝導は正の電荷担体の動きによって支配されます。価電子帯から励起された亜鉛の電子は空孔(つまり、空のレベル)を残し、正の電荷キャリアのように振る舞います。これらの穴の動きは、亜鉛の電気伝導のほとんどを占めています。

電流iのワイヤーが外部磁場Bに置かれている場合、ワイヤーにかかる力はワイヤーの向きにどのように依存しますか?電流はワイヤー内の電荷の動きを表すため、ローレンツ力は移動する電荷に作用します。これらの電荷は導体にバインドされているため、移動する電荷の磁力はワイヤーに転送されます。ワイヤーの短い長さd lにかかる力は、フィールドに対するワイヤーの向きに依存します。力の大きさはid lB sin ϕで与えられます。ここで、ϕはBとd lの間の角度です。ϕ = 0または180°の場合、力はありません。どちらもフィールドに平行な方向に沿った電流に対応します。力は、電流と磁場が互いに垂直なときに最大になります。力は、d F = id l × Bで与えられます。

この場合も、ベクトルの外積は、d lBの両方に垂直な方向を示します。