قوة لورنتس

تأثير قوة لورنتز على سلك كهربائي

وفي هذا الصدد، في محرك كهربائي وفي مولد كهربائي يكون المجال المغناطيسي فيه مجرد وسيط - حيث لا يحدث معه تبادل للطاقة. فما يستهلكة المحرك من تيار يمر فيه يتحول إلى طاقة حركة (انزياح السلك جانبا) بسبب قوة لورنتز. وبالعكس: في حالة المولد الكهربائي ما نمد به السلك من حركة فتتحول الطاقة الحركية عن طريق قوة لورنتز إلى طاقة كهربائية.

علاوةً على ذلك، وقد يحدث ذلك كذلك في محلول يحمل أيونات وإلكترونات كما يحدث في سلك موصل. كما تؤثر تلك القوة على شحنات تتحرك في الفراغ أو الهواء. فكلها تنزاح جانبا عموديا على حطوط المجال المغناطيسي الخارج وعلى اتجاه حركتها.

علاوةً على ذلك، 1. إذا مر تيار (إلكترونات) في سلك موصل وتحرك عموديا على خطوط مجال مغناطيسي فإن الإلكتروتونات ستنزاح جانبا وبالتالي ينزاح السلك ككل.

علاوةً على ذلك، في تلك العمليات تتحرك إلكترونات التوصيل في السلك المعدني الموصل ونتنتج حولها مجالا معناطيسيا دائريا، فإذا تفاعلت خطوط مجاله مع مجال مغناطيسي آخر خارجي، فإن الشحنات تنزاح جانبيا.

ومن جهة أخرى، 2. إذ تحرك سلك عرضيا بالنسبة لخطوط مجال مغناطيسي خارجي، تتأثر إلكترونات التوصيل في السلك بقوة لورنتز وتحركت إلى أحد طرفي السلك، فتكثر الإلكترونات في طرف وتقل في الطرف الآخر من السلك، ونتيجة ذلك نشأة جهد كهربائي بين طرفي السلك.هذا الجهد يسمى تاريخيا قوة دافعة كهربائية.

في هذا الإطار، في محطة قوى مائية يحرك الماء توربينا ومولدا كهربائي وتنتج طاقة كهربائية. ويمكن تحويل تلك الطاقة الكهربائية في المصانع والمنازل إلى طاقة حرارية.

في هذا الإطار، 3. إذا ربطنا الآن طرفي السلك بمقاومة من الخارج غير متحركة بالنسبة للمجال المغناطيسي، يكتمل الدورة ويمر تيار لمعادلة الجهد الكهربائي المتولد.

وفي هذا الصدد، قوة لورنتز هي السبب الأساسي في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركة وبالعكس: إذا مر تيار في سلك عموديا على خطوط مجال مغناطيسي حوله فتؤدي ذلك إلى حركة ميكانيكية للسلك. وبالعكس: إذا تحرك سلك عموديا على خطوط مجال مغناطيسي حوله ينشأ عليه جهد كهربائي، أي يمر فيه فيه تيار كهربائي بالحث.

وفي هذا السياق، كذلك في محطة قوى تعمل بالفحم، تولد الحرارة الناتجة من احتراق الفحم طاقة حرارية وهي تنتج بخار ماء ذو ضغط عالي، ويوجه بخار الماء بضغطه العالي إلى توربين بخاري ويديره، ويدير التوربين البخاري مولدا كهربائي منتجا كهرباء.

تعريف الأمبير

في هذا الإطار، «الأمبير هو شدة تيار كهربائي منتظم الذي يمر في سلكين متوازيين إلى مالا نهاية في الفراغ، ويكون مقطع السلكين دائرايا ومهملا المقطع، محدثا قوة كهرومغناطيسية قدرها 2 · 10−7 نيوتن لكل متر من السلكين.»

وعلى صعيد آخر، تستعمل قوة لورنتز منذ عام 1948 في تعريف الأمبير وهو التعريف الحالي، وينص على:

و

في هذا الإطار، حيث يدخل فيها سماحية الفراغ وهي قيمة لها وحدات (لتحويل الحسابات من النظام الدولي للوحدات إلى نظام سنتيمتر غرام ثانية تفضل بالرجوع إلى مقال معادلات ماكسويل).

توضيح

كذلك، وقوة كولوم فالأولى هي قوة تأثير «مجال مغناطيسي» على جسيمات مشحونة متحركة، وقوة كولوم فهي تأثير «مجال كهربائي» على جسيمات مشحونة متحركة. أما الكتب الحديثة فهي تميل إلى وصف القوة بمركبتين: «مركبة مغناطيسية» و «مركبة كهربائية» لقوة لورنتز، أي ترى قوة لورنتز على أنها محصلة

.

بعض الكتب القديمة تفرق بين «قوة لورنتز»

تعريف عام

أي أن تيار الحث

وفي هذا السياق، الناشيء يناسب طرديا مع شدة المجال المغناطيسي ومع طول السلك ومع سرعة مرور السلك في المجال المغناطيسي، ويتناسب عكسيا مع المقاومة الخارجية.

.فإذا مر تيار خلال فترة زمنية

• تكون كمية شحنة التي تكون قد مررناها خلال هذا الزمن في السلك قدرها:
• بالسرعة:
• من أحد أطراف السلك إلى الطرف الآخر (تعادل تلك الحالة الحالة 1 أعلاه.)

تطبيقات قوة لورنتز في التكنولوجيا

وفي هذا السياق، في الحقن المغناطيسي للبلازما في مفاعل الإندماج النووي مثلما في توكاماك وستلاراتور.

من جانب آخر، أنظمة توجيه وانحراف الإلكترونات في أنبوب الأشعة المهبطية وفي أجهزة التلفزيون ذات الصمام الإلكتروني الضخم (موديلات حتى عام 2003 قبل ظهور أجهزة التلفاز الرقيقة)، وفي معجلات السينكلوترون التي تسمح بمرور نوع معين من الأيونات .

• في تطبيقات تأثير هول ومجسات هول.
• محطات القوى المائية.
• مطياف الكتلة.
• في مكبرات الصوت وفي الميكروفونات.

في الطب، حقن مواد غير سائلة من دون إبرة .

في هذا الإطار، في المحركات الكهربائية، والمولدات الكهربائية، ودينامو الدراجة،

تحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية

في هذا الإطار، وباختصار الشحنة الكلية في المعادلة والجداء الثلاثي لمتجه طول السلك نحصل على جهد الحث :

ومن جهة أخرى، عندما يتحرك سلك طوله بسرعة ثابتة عموديا على خطوط مجال مغناطيسي تنشأ قوتان: قوة لورنتز تعمل على تسيير إلكترونات في السلك من طرف إلى آخر، والقوة الأخرى هي قوة كولوم التي تؤثر على الإلكترونات بسبب الجهد الكهربائي الناشيء عن انفصال الإلكترونات في طرفي السلك:

كذلك، و تعني الإشارة السالبة في المعادلة أن جهد الحث يكون دائما في اتجاه مرور تيار الحث (قاعدة لورنتز). وعندما نوصل طرفي السلك بمقاومة R (وهي لا تتحرك في المجال المغناطيسي) تتكون دائرة كهربائية يتعادل فيها جهد الحث. في نفس الوقت يكون حاصل الضرب مساويا للصفر (طبقا القانون الثاني لكيرشوف)، فنحصل على:

من جانب آخر، فإذا كانت الثلاثة متجهات عمودية على بعضها البعض، يتبسط الجداء l·(v×B)=(l×v)·B ويصبح جهد الحث:

هاتان القوتان تكونان متساويتين ومتضادتين.

وفي السياق ذاته، أي يتناسب جهد الحث تناسبا طرديا مع شدة المجال المغناطيسي ومع طول السلك ومع سرعة السلك في المجال المعناطيسي.

تأثير قوة لورينتز على جسيمات مشحونة متحركة

أو:

وتبلغ قوة لورنتز (الشق المغناطيسي):

علاوةً على ذلك، وإذا كانت حركة الجسيمات المشحونة عمودية على خطوط المجال المغناطيسي، فيكون جيب الزاوي

إضافةً إلى ذلك، نظرا لأن اتجاه قوة لورنتز تعتمد على إشارة الشحنة فهي تكون متعاكسة بحسب نوع الشحنة، باعتبار أن اتجاه الشحنات الأولي واحد. ويمكن ان يحدث ذلك لأيونات موجبة في سائل معرضة لمجال مغناطيسي خارجي (أنظر الصورة، المجال المغناطيسي خارجا من الصفحة ومجال كهربائي بين جدار الوعاء والمركز).

، وتصبح المعادلة في صورتها المبسطة:

علاوةً على ذلك، الجسيمات المشحونة المستعملة في الفيزياء هي إلكترونات أو بروتونات أو جسيمات أولية أخرى مشحونة، مثل جسيمات ألفا تتحرك في الفراغ أو كذلك أيونات في محلول.

وفي هذا السياق، حيث هي الزاوية بين اتجاه حركة q واتجاه المجال المغناطيسي، أو كثافة التدفق المعناطيسي .

مغناطيسية حديدية

إثارة (مغناطيسية)

إذا تحركت شحنة كهربائية

حيث:

في حالة عدم وجود مجال كهربائي نعتبر الحالتين الآتيتين:

تعطي قوة لورنتز الناتجة عن المركبة المغناطيسية بالمعادلة:

كذلك، وبعكس انحراف الجسيم عندما يكون تحت تأثير مجال كهربائي فلا ينتج شغل، بمعنى أن طاقة الحركة لجسيم مشحون يتحرك في مجال مغناطيسي «ثابت» لا تتغير، وبالتالي فإن سرعة الجسيم في مسارها الذي أصبح منحنيا لا تتغير.

من جهة ثانية، إذا كانت حركة الجسيم المشحون في اتجاه خطوط المجال المغناطيسي (المتجهين و متوازيان أو متضادان), تصبح مساوية 0 . أي أنه إذا كانت حركة الجسيم ذو الشحنة موازية للمجال المغناطيسي أو في عكس اتجاهه فإن الجسيم لا ينحرف عن مسارة المستقيم.

والعلامة هي علامة جداء اتجاهي للمتجهات المشتركة.

وعلى صعيد آخر، و المركبتان الكهربائية والمغناطيسية: لتأثير شدة المجال الكهربائي، و لتأثير كثافة التدفق المغناطيسي،

في هذا الإطار، بسرعة في مجال كهرومغناطيسي تحتسب القوة الكلية (قوة لورنتز) المؤثرة على الشحنة كمحصلة مركبنين كالآتي:

وفي هذا السياق، (ملحوظة هذا غير التسريع الذي يتعرض له الإلكترون في البيتاترون حيث يكون المجال المغناطيسي فيه متغير).

في هذا الإطار، وبالتالي تكون قوة كولوم الناتجة من مجال كهربائي يؤثر على جسيم مشحون متحرك:

من جانب آخر، حيث أن القوة تكون عمودية على كلا من و وحاصل ضرب الجداء الثلاثي يكون مساويا للصفر - بحسب التعريف - ويصبح الانحراف الجسيم الناشيء عن المجال المغناطيسي:

يسمى الضرب

ومن جهة أخرى، المعادلة السابقة تعطي قوة لورنتز المعتادة الاستخدام في التقنية الكهربائية وفي الفيزياء التطبيقية، وهي طبقا لـ النظام الدولي للوحدات SI. بعض الكتب وبعض النشرات العلمية النظرية الإنجليزية والأمريكية تكتب المعادلة بالوحدات المكافئة في نظام وحدات سنتيمتر غرام ثانية cgs:

وتعرّف المقادير بالضبط كالآتي:

صياغة قوة لورنتز في نظام وحدات سنتيمتر غرام ثانية

علاوةً على ذلك، القوة المؤثرة على شحنة تتحرك في مجال كهرومغناطيسي واسعة التطبيقات. فهي المسؤولة عن إنتاج الطاقة الكهربائية من طاقة الحركة كما في محطات القوى والمولد الكهربائي، وعن إنتاج الحركة من التيار الكهربائي مثلما في محرك كهربائي والمترو وماكينة الحلاقة الكهربائية، وغيرها.

ومن جهة أخرى، اتجاه قوة لورنتس المغناطيسية تتبع قاعدة الثلاثة أصابع. ونستعمل أصابع اليد اليسري للشحنات السالبة، ونستعمل اليد اليمنى للشحنات الموجبة، لتتعيين اتجاه القوة.

ومن جهة أخرى، حيث: و مماثلة لنظيرتها في النظام الدولي للوحدات، ويمكن كتابتهم على الصورة المبسطة و .

وفي السياق ذاته، جداء اتجاهي. مع ملاحظة أن الحروف المكتوبة غليظا هي كميات متجهة. فمثلا الشحنة q ليست كمية متجهة أما الباقي فكلها كميات متجهة: القوة، وسرعة الجسيم، والمجال الكهربائي، والمجال المغناطيسي.

تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركة

من جانب آخر، نمرر الآن تيارا تيارا كهربائيا من الخارج حيث تتحرك في السلك إلكترونات التوصيل بسرعة منتظمة قدرها

وفي هذا السياق، من أجل وصف تلك الخاصيات بمعادلات رياضية بطريقة بسيطة نأخذ قطعة سلك مستقيمة في الاعتبار طولها

من جانب آخر، ونفترض انه يقطع عرضيا خطوط مجال مغناطيسي منتظم له كثافة تدفق مغناطيسي.

قوة لورنتز في ظواهر طبيعية

وفي هذا السياق، يحدث انحراف ريح شمسية عن طريق المجال المغناطيسي في حزام فان آلن الإشعاعي بعيدا عن الأرض بواسطة قوة لورنتز . إذ تتكون الريح الشمسية من جسيمات مشحونة عالية السرعة (عالية الطاقة) وتبعدها عن الوصول إلى سطح الأرض فتضر بالأحياء عليها. جزء من تلك الجسيمات يتوجه كذلك عن طريق مغناطيسية الأرض ليهبط على الأرض من ناحية القطبين، وينشأ عنها ظاهرة الشفق القطبي.

• اقراأيضا
• تآثر كهرومغناطيسي
• محرك أحادي القطب
• حقل مغناطيسي
• محاثة
• حث كهرومغناطيسي
• محاثة متبادلة
• خوذة الإله

ونظرا لأن الشحنة المارة

كذلك، وطبقا للمعادلة الآخيرة فإن قوة لورنتز الناشئة على السلك (أو الملف) تتناسب مع شدة التيار المسلط من الخارج وتتناسب كذلك تناسبا طرديا مع شدة المجال المغناطيسي ومع طول السلك.

في هذا الإطار، فإذا كان السلك عموديا على خطوط المجال المغناطيسي فتختصر المعادلة حيث أن

ويبلغ المقدار المطلق لهذه المعادلة:

وعلى صعيد آخر، إذن تاثير قوة لورنتز على الإلكترونات المارة في السلك تجعل السلك يتحرك. وباختيار شكل أسطواني للنظام المغناطيسي واستبدال السلك المستقيم بملف متكون من عدد كبير من لفات السلك يصبح لدينا محرك كهربائي. يدور المحرك بامداده بتيار كهربائي وينتج حركة نستفيد منها ميكانيكيا.

وعلى صعيد آخر، حيث هي الزاوية بين طول السلك، أي اتجاه التيار I ، واتجاه خطوط المجال المغناطيسي - وبالتالي اتجاه كثافة التدفق المغناطيسي .

:

في هذا الإطار، فيكون مجموع قوى لورنتز المؤثرة على جميع إلكترونات التوصيل في التيار، وبالتالي في قطعة السلك هي: