什麼是勞侖茲力?
勞侖茲力是帶電粒子所受的總電磁作用力,由兩部分組成:一是只要電荷處在電場中就會出現的電場力;二是只有當電荷運動並橫切磁場時才會產生的磁場力。本計算機採用 \(F = q(E + vB\cdot\sin\theta)\) 來求出力的純量大小,這是一個便於使用的簡化形式,適用於電場力與磁場力沿同一直線方向的常見情況。
如何使用本計算機
請依序輸入:電荷 q(單位:庫侖,電子或陰離子請填負值)、電場強度 E(單位:伏特/公尺)、粒子速率 v(單位:公尺/秒)、磁通量密度 B(單位:特斯拉),以及速度與磁場之間的夾角 θ(單位:度)。計算機會回傳以牛頓為單位的總作用力,並分別列出電場力(\(qE\))與磁場力(\(qvB\cdot\sin\theta\))兩項貢獻。
公式說明
完整的向量定律為 $$F = q(E + v \times B)$$。磁場叉積的大小為 \(vB\cdot\sin\theta\),其中 \(\theta\) 是 v 與 B 之間的夾角——當 \(\theta = 90°\) 時磁場力最大,而當粒子沿磁場方向運動(\(\theta = 0°\))時磁場力為零。再加上電場力 \(qE\),即可得到合成的大小 $$F = q(E + vB\cdot\sin\theta)$$。
範例演算
一個電荷 \(q = 2 \text{ C}\) 以 \(v = 100 \text{ m/s}\) 的速率,在 \(B = 0.5 \text{ T}\) 的磁場中以 \(\theta = 90°\) 運動,且沒有電場(\(E = 0\))。則 $$vB\cdot\sin\theta = 100 \times 0.5 \times \sin 90° = 50$$ 因此 $$F = 2 \times (0 + 50) = \mathbf{100 \text{ N}}$$
常見問題
為什麼夾角會有影響?只有垂直於 B 的速度分量才會產生磁場力,而 \(\sin\theta\) 這個因子正好反映了這一點;當運動方向與磁場平行時,\(\sin\theta\) 為零,磁場力也隨之消失。
如果我的電荷是負值怎麼辦?直接填入負值即可——計算結果的正負號會告訴你相對於假設正方向的力的方向。
可以忽略電場嗎?可以,將 E 設為 0,就能單獨研究運動電荷所受的純磁場力。