§31 Сила Лоренца

Так же как силу Кулона используют, чтобы ввести понятие электрического поля E, силу Лоренца используют для определения магнитного поля B.

Из эксперимента известно, что в отсутствие электрического поля на заряженную частицу может действовать некая сила, если частица движется. Основные факты таковы:

  • существует направление (вообще говоря, различное в каждой точке пространства), при движении вдоль которого эта сила на частицу не действует;
  • при заданной величине скорости частицы сила пропорциональна синусу угла между вышеупомянутым направлением и направлением скорости;
  • сила пропорциональна скорости частицы и величине её заряда.

Нетрудно видеть, что всем этим свойствам удовлетворяет формула

F = q c [v,B],

(31.1)
где B — некоторый вектор, параллельный вышеуказанному направлению. Его называют вектором магнитного поля, а формула (31.1) по сути дела служит определением B точно так же, как .
F = q E

(31.2)
служит определением вектора электрического поля E.

Заметим, что конкретный вид формулы (31.1), в отличие от электрического аналога (31.2), зависит от выбора системы единиц. Сила (31.1) записана в системе СГС. С системе СИ отсутствовал бы множитель 1 c. Напомним, что все формулы мы пишем в системе единиц СГС, а список наиболее важных формул в системе СИ приведен в приложении A. В системе СГС магнитное поля измеряется в Гауссах ( Г), в системе СИ единица измерения называется Тесла ( Т):

[B] = 1Г = 104 Т .

(31.3)
(Здесь точное равенство или нет?).

Полная сила, которая действует на заряженную частицу, слагается из электрической (31.2) и магнитной сил (31.1):

F = q E + q c [v,B].

(31.4)
Её называют силой Лоренца. Выражение для силы Лоренца можно записать также для случаю сплошной среды. Чтобы найти силу f, действующую на единицу объёма заряженной среды, нужно умножить все члены уравнения (31.4) на плотность носителей электрического заряда n и учесть, что f = nF, плотность электрического заряда есть ρ = q n, а плотность тока — j = q nv:
f = ρE + 1 c [j,B].

(31.5)

Исходя из формулы (31.5) для силы Лоренца, нетрудно вычислить силу, действующую на «элемент тока». Пусть элемент тока не заряжен, т.е. ρ = 0, и представляет собой отрезок длины dl тонкой трубки с сечением S, по которой течет ток с плотностью j. Полный ток через сечение трубки будет I = j S. Силой dF, которая действует на выделенный элемент тока, очевидно, следует считать произведение f = [j,B]c на объем отрезка dV = S dl:

dF = 1 c [j,B]S dl.

Если теперь ввести вектор dl, по величине равный dl, и направить его по направлению тока j, то последнюю формулу можно переписать следующим образом:

dF = I c [dl,B].

(31.6)
Выражение (31.6) называют законом Ампера, но не потому, что это он получил правильный результат; Амперу принадлежит формула для силы взаимодействия замкнутых токов.

В заключение параграфа обсудим еще один вопрос, который до сих пор мы старательно обходили стороной. Напомним, что вектор E называют вектором напряженности электрического поля и что для определения E, как и для определения вектора B используют силу Лоренца (31.4). C этой точки зрения, B следовало бы назвать вектором напряженности магнитного поля. Однако история распорядилась так, что B называют вектором индукции магнитного поля по аналогии с вектором индукции электрического поля D. Забегая вперед, сразу скажем, что для такого выбора названия есть немалые основания и что термин напряженность магнитного поля также используется; в магнитных средах так называют поле H. Однако поле H, как и поле D, является вспомогательным. Строго говоря, величину и направление полей D и H можно измерить только косвенным образом (потому-то они и являются вспомогательными), тогда как в силу Лоренца входят напряженность электрического поля E и, увы, индукция магнитного поля B. Чтобы сгладить несуразность терминологии, в литературе на русском языке в формуле для силы Лоренца часто пишут H вместо B. Это не является ошибкой до тех пор, пока речь идет о немагнитных средах, так как там H = B, однако всё-таки может служить источником недоразумений. В иностранной литературе термины «напряженность» и «индукция» магнитного поля вообще стараются не использовать; при этом и B, и H просто называют «магнитным полем». Мы выбираем «иностранный» способ.