什么是洛伦兹力?
洛伦兹力是带电粒子所受的电磁合力。它由两部分组成:一是电场力,只要电荷处在电场中就会受到这种力;二是磁场力,只有当电荷运动并穿过磁场时才会产生。本计算器采用 \( F = q(E + vB\cdot\sin\theta) \) 这一标量形式来求解力的大小,适用于电场力与磁场力方向在同一直线上的常见情形,计算更为简便。
如何使用本计算器
请输入电荷 q(单位:库仑,电子或阴离子请填负值)、电场强度 E(单位:伏特每米)、粒子速度 v(单位:米每秒)、磁感应强度 B(单位:特斯拉),以及速度与磁场之间的夹角 θ(单位:度)。计算器将给出以牛顿为单位的总作用力,同时分别列出电场力(\(qE\))和磁场力(\(qvB\cdot\sin\theta\))这两部分的贡献。
公式详解
完整的矢量定律为 $$ F = q(E + v \times B) $$。磁场叉乘项的大小为 \( vB\cdot\sin\theta \),其中 \(\theta\) 是 v 与 B 之间的夹角——当 \(\theta = 90°\) 时该项达到最大值,而当粒子沿磁场方向运动(\(\theta = 0°\))时则为零。再加上电场贡献 \(qE\),便得到合力的大小 $$ F = q(E + vB\cdot\sin\theta) $$。
计算实例
设电荷 \(q = 2\ \text{C}\) 以速度 \(v = 100\ \text{m/s}\) 穿过磁感应强度 \(B = 0.5\ \text{T}\) 的磁场,夹角 \(\theta = 90°\),且无电场(\(E = 0\))。此时 $$ vB\cdot\sin\theta = 100 \times 0.5 \times \sin 90° = 50 $$,于是 $$ F = 2 \times (0 + 50) = \mathbf{100\ \text{N}} $$。
常见问题
为什么夹角会影响结果?只有垂直于 B 的速度分量才会产生磁场力,\(\sin\theta\) 这一因子正好体现了这一点;当运动方向与磁场平行时,该项为零。
如果我的电荷是负值怎么办?直接填入负值即可——计算结果的正负号会告诉你力相对于设定正方向的指向。
可以忽略电场吗?可以,将 E 设为 0,即可单独研究运动电荷所受的纯磁场力。