ローレンツ力

電磁場中で運動する荷電粒子が受ける力

ローレンツ力(ローレンツりょく、: Lorentz force)は、電磁場中で運動する荷電粒子が受けるのことである。 名前はヘンドリック・ローレンツに由来する。

概要編集

電場  磁束密度磁場  の空間中を運動する荷電粒子(位置  速度  電荷  )に作用する電磁気的な力  

 

であり、この  ローレンツ力と言う。ここで、「×」はクロス積である。

上式で右辺第一項は電場中で荷電粒子が受ける力でありクーロン力とも呼ばれる。 第二項はビオ・サバールの法則を一般化した形となっている[要検証]

なお、第二項は磁場中で荷電粒子が受ける力

 

であるが、ローレンツ力という用語がこの項のみを指すものとされる場合もある。

荷電粒子が加速度運動している場合、その荷電粒子自身による電磁場の効果が存在するが[要校閲] 、その影響はごく小さい場合が多いので通常は無視されるか、ごく小さなものとして扱われる[疑問点]。 (参考: 制動放射ラーモアの公式 放射の反作用、en:Abraham–Lorentz force

ローレンツ力の向き編集

ローレンツ力の向きについて、電場による力 は電場と平行である。 また、磁場による力 右手の法則に従い、下図のようにフレミングの左手の法則で表される。

 
磁場による力の向きを表すフレミングの左手の法則
 
右手の姿で示す方法

また、右手の姿で示す方法もある。

ローレンツ力と仕事編集

ローレンツ力のする仕事は

 

である。 ここで、磁場による力の項は、

 

であり、磁場は仕事をしない。

電場による力の項は、

 

である。この電場による仕事量は、巨視的に見るとジュール熱に相当する。

磁場による力は速度と直交する方向に生じるので、運動の向きを変えるだけで粒子の運動エネルギーは変化しない。エネルギーの移動は電場により生じている。

ローレンツ力と電磁力編集

電荷 qi の時刻 t における位置を ri、速度を vi とすると、電荷密度 ρ電流密度 j は、

 

と表すことができる。δ(x)はディラックのデルタ関数である。

ローレンツ力は多数の粒子系に対しては

 

となる。ここで、

 

として、和と積分を入れ替えると、

 

このようにミクロな粒子に作用する力(ローレンツ力)から、マクロな粒子系に作用する力(クーロン力及びアンペール力)が導かれた。

相対論的な表示編集

ローレンツ力を相対論的に記述すると

 

となる。 ここで z=(ct,r) は粒子の相対論的な位置、p=(E/c,p) は粒子の相対論的な運動量、ドットは運動のパラメータによる微分である。 F は電場と磁場を合わせた電磁テンソルで、具体的には

 

と表される。

位置の微分は非相対論的な速度 v によって

 

と表される。 従って、この式の空間成分は

 

となる。非相対論的な力 f

 

となる。

関連項目編集