تعريف قوة لورنتز

يمكن تعريف قوة لورنتز (بالإنجليزية: Lorentz force) بأنها القوة المؤثرة على جُسيم مشحون يتحرك بسرعة (V) خلال مجال كهربائي (E) ومجال مغناطيسي (B)، لتعتبر بذلك مزيجاً من القوى المغناطيسيّة والكهربائيّة، وقد سُميت قوة لورنتز بهذا الاسم نسبة إلى العالم الهولندي هندريك لورنتز الذي اكتشفها في عام 1895.[١]


وبشكل عام توضح قوة لورنتز القوى الفيزيائيّة المؤثرة على الجُسيمات المشحونة، والتي تنتقل عبر الفضاء الذي يحتوي على مجال مغناطيسي ومجال كهربائي.[٢]


الصيغة الرياضية لقوة لورنتز

الصيغة الرياضية لقانون حساب قوة لورنتز المؤثرة على الجُسيم المشحون هي كالآتي:[٢]


  • ؛ حيث:
  • F: هي القوة المؤثرة على الجسم ووحدتها نيوتن.
  • q: هي قيمة الشحنة الكهربائية للجسم ووحدتها كولوم.
  • v: هي السرعة التي يتحرك بها الجسم ووحدتها متر لكل ثانية.
  • E: هو المجال الكهربائي الخارجي ووحدته فولت لكل متر.
  • B: هو المجال المغناطيسي ووحدته تسلا.


أما بالنسبة لحساب الجزء المغناطيسي من قوة لورنتز باعتبار وجود زاوية بين اتجاه حركة الجسم (سرعته)، واتجاه المجال المغناطيسي فهي كالآتي:


  • ؛ حيث:
  • θ: الزاوية المحصورة بين اتجاه حركة الجسم، واتجاه المجال المغناطيسي، وتكون عادة 90 درجة.


عندما تكون القوة المؤثّرة على جسيم مشحون في مجال مغناطيسي متعامدة على كل من متجه السرعة، ومتجه المجال المغناطيسي، وعندما يكون المجال المغناطيسي ثابتاً فإن الجسيم المشحون يتحرك في مسار دائري يمكن حساب نصف قطره من خلال القانون الآتي:[٣]


  • ، وبإعادة ترتيب المعادلة واعتبار أنّ: ، وأنّ: ، وأنّ θ = 90 درجة ينتج أنّ:


  •  ؛ حيث:
  • r: نصف قطر مسار الجسم المتحرك في مسار دائري.
  • m: كتلة الجسم.


تحديد اتجاه قوة لورنتز

تكون القوة الكهربائية في اتجاه المجال الكهربائي دائماً إذا كانت الشحنة موجبة، أما بالنسبة لاتجاه الجزء المغناطيسي لقوة لورنتز فيُمكن تحديده باستخدامقاعدة اليد اليمنى، حيث يدل اتجاه إصبع الإبهام إلى اتجاه التيار أو حركة الشحنات، بينما يشير إصبع السبابة إلى اتجاه المجال المغناطيسي، أما الإصبع الأوسط فيشير إلى اتجاه القوة المؤثرة على الشحنة، والتي تكوت عمودية دائماً على اتجاه التيار والمجال المغناطيسي، ومن الجدير بالذكر أنّه إذا كانت الشحنة سالبة فيتم دائماً عكس اتجاه القوة الذي تم الحصول عليه، أو استخدام اليد اليسرى بدلاً من اليمنى، وتكون القوة المغناطيسية المؤثرة على شحنة ثابتة أو على الشحنة التي تتحرك بالتوازي مع اتجاه المجال المغناطيسي دائماً مساوية للصفر.[٤][٥][٣]


شرح تفصيلي عن قوة لورنتز


مثال على قوة لورنتز

  • يتحرّك إلكترون إلى الشرق بسرعة 1.8× م/ث، ويتأثر بقوة في الاتجاه العلوي مقدارها 2.2× نيوتن، فما مقدار واتجاه المجال المغناطيسي الذي مرّ به هذا الإلكترون في تلك اللحظة؟[٣]
  • الحل:
  • لحساب مقدار المجال المغناطيسي علينا الاستعانة بالقانون الآتي:
  • FB = q.v.B.sinθ
  • تعويض القيم المعلومة في القانون السابق، واعتبار θ = 90؛ لأنّ اتجاه سرعة الإلكترون متعامد مع المجال المغناطيسي، وعليه:
  • FB = q.v.B.sinθ
  • (2.2×10−12) = (1.8×) × (1.6×10−19) × B، ومنه:
  • المجال المغناطيسي = 7.6 تسلا.


  • ولإيجاد اتجاه المجال يمكن استخدام قاعدة اليد اليسرى، وذلك لأن شحنة الإلكترون سالبة، حيث يتم توجيه إصبع السبابة إلى الشرق لتمثيل السرعة، وإصبع الإبهام لأعلى لتمثيل القوة، مما يعني أنّ الإصبع الأوسط والذي يمثّل اتجاه المجال المغناطيسي سيشير إلى الجنوب وهو اتجاه المجال المغناطيسي هذا.


تطبيقات على قوة لورنتز

هناك تطبيقات عدة على قوة لورنتز وفيما يلي بعض منها:[٢]

  • تُستخدم في المسرعات الدورانيّة ومسرّعات الجسيمات الأخرى.
  • تُستخدم في غرفة الفقاقيع في فيزياء الجسيمات لإنتاج الرسم البياني للحصول على مسارات الجسيمات المشحونة.
  • يُستخدم مفهوم قوة لورنتز في أجهزة التلفزيون ذات أنبوب الأشعة المهبطية للتحكم في الإلكترونات بحيث تهبط على نقاط محددة على الشاشة.

المراجع

  1. ↑ "Lorentz force", britannica, Retrieved 19/8/2021. Edited.
  2. ^ أ ب ت "Lorentz Force", byjus, Retrieved 19/8/2021. Edited.
  3. ^ أ ب ت "Lorentz Force", ck12, Retrieved 25/8/2021. Edited.
  4. ↑ "Magnetic Force", hyperphysics.phy-astr, Retrieved 19/8/2021. Edited.
  5. ↑ "Lorentz Force Law", hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, Retrieved 24-8-2021. Edited.