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勞侖茲力:磁場如何推動運動中的電荷

一條規則主宰磁場作用在電荷上的所有力——它垂直、與速度有關,而且出人意料地完全不作功。

只有運動中的電荷才感受得到

磁力的第一個驚奇之處在此。把一個電荷靜止地放在磁場中,它什麼也感受不到。唯有當電荷運動時,磁場才抓得住它。動得越快,力越大(成正比);若沿著磁力線筆直前進,力則完全消失。這股力取決於電荷「橫切」磁場的快慢。

而它的方向更是奇特。磁力同時垂直於速度 \vec{v} 與磁場 \vec{B}——不沿著兩者中的任何一個。能夠產生一個垂直於另兩個向量的數學工具,就是外積(向量積),這條力的定律正是用它寫成的。

\vec{F} = q\,\vec{v}\times\vec{B}

電荷 q 以速度 v 在磁場 B 中運動時所受的磁力。外積使 F 垂直於 v 與 B 所張成的平面。

F = qv×B 中的三個方向互相垂直。四指指向 v、向 B 彎曲,拇指(對正電荷而言)便指出 F。

大小與右手定則

F = qvB\sin\theta

力的大小,其中 θ 是 v 與 B 之間的夾角。當電荷橫切磁場(θ = 90°)時力最大;沿磁場方向(θ = 0)時為零。

要找方向,對 \vec{v}\times\vec{B} 使用右手定則:四指指向 \vec{v},向 \vec{B} 彎曲,拇指便指向 \vec{v}\times\vec{B}。這就是電荷在磁場中所受的力。對電荷(例如電子)而言,因為 q 為負,力的方向恰好相反。

一個電荷進入均勻磁場並彎曲前進。改變它的速率、電荷正負與磁場強度,觀察力與路徑如何隨之變化。

不作功的力

由於磁力永遠垂直於速度,它沿運動方向沒有分量——因此不作功。依據功能定理,純磁力永遠無法改變粒子的速率或動能,只能改變運動的「方向」。磁場是一具完美的方向盤,卻絕不是油門踏板。

電與磁,同時作用

在現實中,電荷往往同時處於電場與磁場中。總電磁力是兩者貢獻的相加。這個完整的表述就是全形式的勞侖茲力——它與牛頓第二運動定律搭配,主宰電磁學中每個帶電粒子的運動。

\vec{F} = q\left(\vec{E} + \vec{v}\times\vec{B}\right)

完整的勞侖茲力。電的部分 qE 能使電荷加速;磁的部分 qv×B 只能使它轉向。

範例:作用在電子上的力

  1. 題目。 一個電子(q = -1.6\times10^{-19} C)以 v = 2.0\times10^{6}\,\text{m/s} 垂直於均勻磁場 B = 0.50 T 運動。求所受力的大小與方向。
  2. 大小。 因為 v ⟂ B,θ = 90°、sin θ = 1,故 F = qvB = (1.6\times10^{-19})(2.0\times10^{6})(0.50)
  3. 計算。 F = 1.6\times10^{-13}\,\text{N}。以日常標準看很小,但對一個重量僅約 10^{-29} N 的粒子而言卻極為巨大——此處磁力徹底壓過重力。
  4. 方向。 對 v×B 使用右手定則得到正電荷的方向,再因電子帶負電而反轉。反轉後的方向就是電子被推的方向,使其路徑彎曲。