Сила Лоренца
Си́ла Ло́ренца, сила, действующая на точечный заряд , движущийся со скоростью во внешнем электромагнитном поле с напряжённостью электрического поля и магнитной индукцией : Это выражение было получено Х. А. Лоренцем в работе «Электромагнитная теория Максвелла и её приложение к движущимся телам» (1892); представляет собой объединение кулоновской силы, действующей на заряд со стороны электрического поля (известной ещё до работы Лоренца), и новой силы, обнаруженной Лоренцем, которая действует на движущийся в магнитном поле заряд (выражение для магнитной части силы получил также О. Хевисайд в 1889). Выражение для силы Лоренца остаётся справедливым при любых, в том числе релятивистских, скоростях движения заряда.
При движении заряда в однородном электростатическом поле заряд ускоряется в направлении и его скорость и пройденное расстояние (при начальной скорости, равной нулю) изменяются по закону: где – масса заряженной частицы, – скорость света в вакууме, – время.
При движении заряженной частицы только в статическом магнитном поле (при ) скорость частицы сохраняет свою величину, поскольку магнитная составляющая силы Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы и, следовательно, не совершает над ней работу. В случае однородного статического магнитного поля ( и ), если начальная скорость заряженной частицы перпендикулярна вектору (), то частица будет равномерно двигаться по окружности радиуса с циклической частотой обращения : где – период обращения частицы, – лоренц-фактор, входящий в преобразования Лоренца в специальной теории относительности. Если заряженная частица дополнительно имеет начальную компоненту скорости , параллельную вектору , то она будет вращаться по окружности радиуса , центр которой будет двигаться с постоянной скоростью , т. е. частица будет двигаться по винтовой линии.
При движении в статическом однородном электромагнитном поле (, ) при заряженная частица совершает движение по винтовой линии с увеличивающимся шагом, а при и центр окружности, по которой вращается частица, равномерно дрейфует со скоростью, равной: Если переменное и неоднородное электромагнитное поле мало изменяется на расстояниях порядка и за промежутки времени порядка , то на вращательное движение заряженной частицы будут накладываться дополнительные дрейфы.
С использованием силы Лоренца были объяснены эффект Холла, нормальный эффект Зеемана, диамагнетизм и другие эффекты, связанные с взаимодействием магнитного поля и зарядов, движущихся в веществе. Сила Лоренца используется в ускорителях заряженных частиц, масс-спектрометрии и МГД-генераторах, электронике (например, в электронно-лучевых трубках) и др.