§ 22.18. Сила Лоренца. Движение заряда в магнитном поле.
Голландский ученый Г. А. Лоренц объяснил существование силы Ампера (§ 22.9) тем, что магнитное поле действует на движущиеся заряды в проводнике с током. Поскольку эти заряды вырваться из проводника не могут, то общая сила, действующая на них, оказывается приложенной к проводнику.
Таким образом, сила Ампера 
является суммой сил, действующих на свободные заряды в проводнике с током. Это предположение дает возможность найти силу 
действующую на один движущийся заряд в магнитном поле. Эту силу 
принято называть силой Лоренца. Итак,
где 
— общее число свободных зарядов в проводнике о током. В металле такими зарядами являются электроны, заряд каждого из них равен е. Так как 
(§ 16.2), то
Учитывая, что 
получим формулу для вычисления силы Лоренца:
где а — угол между векторами 
Направление силы Лоренца находится в помощью правила левой руки (§ 22.9). Применяя его, нужно помнить, что если в магнитном поле движется положительный заряд 
то четыре вытянутых пальца должны быть направлены в сторону его движения, т. е. в сторону вектора 
а если движется отрицательный заряд 
то вытянутые четыре пальца должны быть направлены против 
Оказывается, сила Лоренца всегда перпендикулярна плоскости, в которой находятся векторы 
Это означает, что она перпендикулярна каждому из этих векторов. Следовательно, сила Лоренца работы не совершает, т. е. не может изменить кинетической энергии свободных зарядов, движущихся в магнитном поле. Она может
только изменить направление скорости движения свободных зарядов, т. е. является центростремительной силой.
Допустим, что заряд 
имеющий массу 
и скорость V, влетает в однородное магнитное поле с индукцией В так, что вектор скорости 
перпендикулярен вектору В. Тогда 
В этом случае заряд будет двигаться по окружности (рис. 22.34) с радиусом
(линии индукции на рис. 22.34 направлены на читателя).
Если направление скорости по отношению к линиям индукции составляет угол а, отличный от 
, то заряд будет двигаться по винтовой траектории вокруг линий индукции поля (рис. 22.35), так как вектор 
можно разложить на составляющие 
. Одна из них, продольная 
направлена вдоль линий индукции, а другая, 
перпендикулярно к ним. Последняя определяет радиус витков 
а продольная составляющая 
изменяться не будет. Если заряд пройдет один виток за время Т, то вдоль линии индукции он за это время переместится на расстояние 
. Нетрудно видеть, что 
является шагом винтовой линии.
Рис. 22,34,
Рис. 22.35.
Рис. 22.36.
При движении заряженной частицы в неоднородном магнитном поле не только направление, но и величина силы Лоренца будет изменяться и траектория движения частицы может быть очень сложной.
Рассмотрим теперь случай, когда заряженная частица влетает в сильное магнитное поле, как показано на рис. 22.36. Если частица движется в плоскости, перпендикулярной линиям индукции, то, влетев в магнитное поле и описав дугу (радиус коюрой определяется
формулой (22.23)), она вылетает из магиитного поля. Если частица влетает в поле под произвольным углом к линиям индукции, то, пролетев в поле какую-то часть витка спирали, она тоже отбрасывается полем. Таким образом, сильное магнитное поле отбрасывает влетающие в него заряженные частицы (поэтому такие поля называют иногда магнитными зеркалами). Заметим, что это свойство магнитного поля используюг в ядерной физике для изоляции высокотемпературной плазмы. Вокруг нее создают сильные магнитные поля, которые отбрасывают заряженные частицы плазмы и выполняют таким образом роль своеобразного «сосуда», в котором удерживается плазма.
