Lực điện từ
Lực điện từ là lực mà điện-từ trường tác dụng lên hạt mang điện tích (chuyển động hay
đứng yên).
Theo biểu diễn cổ điển của lực điện từ, lực này gồm hai thành phần, do điện trường tạo ra
(lực điện) và do từ trường tạo ra (lực từ).
Lực điện từ đôi khi còn được gọi là lực Lorentz, mặc dù thuật ngữ này cũng có thể chỉ
dùng để nói về thành phần gây ra bởi từ trường. Lý do là trong lý thuyết điện từ và lý
thuyết tương đối, từ trường và điện trường được thống nhất thành một trường tạo ra
tương tác duy nhất gọi là trường điện từ. Đặc biệt, trong lý thuyết tương đối, biểu thức
lực từ và lực tĩnh điện quy tụ về một biểu thức duy nhất.
Việc thống nhất lực điện và lực từ thành một loại lực điện từ cũng phù hợp với quan điểm
của lý thuyết điện động lực học lượng tử. Theo lý thuyết này, lực điện từ được gây ra bởi
sự trao đổi của hạt trường là photon.
Mô hình chuẩn ghi nhận lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên.
Biểu diễn cổ điển
Biểu thức toán học cổ điển của lực điện từ, khi cho biết cường độ điện từ trường và tính
chất của hạt mang điện, là:
F = q (E + v × B)
Trong đó:
• E là véc-tơ cường độ điện trường tại vị trí của hạt
• q là điện tích của hạt
• v là véc-tơ vận tốc chuyển động của hạt
• B là véc-tơ cảm ứng từ tại vị trí của hạt
• "×" là phép nhân véc-tơ.
[sửa] Lực từ
Lực từ khiến hạt điện tích chuyển động tròn.
Thành phần gây ra bởi từ trường của lực này, còn gọi là lực từ hay đôi khi là lực
Lorentz, có phương luôn vuông góc với phương chuyển động của hạt mang điện và làm
thay đổi quỹ đạo chuyển động của hạt mang điện. Nếu hạt mang điện chuyển động theo
phương vuông góc với đường cảm ứng từ thì hạt sẽ chuyển động theo quỹ đạo tròn, nếu
hạt chuyển động theo phương không vuông góc với đường cảm ứng từ thì quỹ đạo của nó
sẽ là hình xoắn ốc.
Lực tác động của từ trường lên dòng điện có nguyên nhân là thành phần này của lực
Lorentz.
Lực từ giữa các cực của nam châm, cũng là tổng hợp lực gây ra bởi từ trường của nam
châm này lên các electron chuyển động quanh nguyên tử ở nam châm kia, về bản chất
cũng là thành phần này của lực Lorentz.
Lực điện
Bài chi tiết: Lực tĩnh điện
Khi hạt điện tích đứng yên; lực điện từ đơn giản hoá thành lực tĩnh điện, là thành phần
gây ra bởi điện trường:
Lực tương tác giữa hai điện tích điểm có phương nằm trên một đường thẳng nối
hai điện tích điểm, có chiều là chiều của lực hút nếu hai điện tích điểm trái dấu
và đẩy nếu hai điện tích điểm cùng dấu, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích các điện tích
và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Độ lớn của lực được tính theo công thức:
với:
• F là độ lớn của lực Coulomb, đo bằng N trong SI
• q1 là điện tích của điện tích điểm thứ nhất, đo bằng C trong SI
• q2 là điện tích của điện tích điểm thứ hai, đo bằng C trong SI
• r là khoảng cách giữa hai điện tích điểm, đo bằng m trong SI
• k là hằng số vật lý (còn gọi là hằng số lực Coulomb) thường được biểu diễn là
với là độ điện thẩm chân không. Giá trị các hằng số này là:
o k ≈ 8 987 742 438 F−1·m (hay C−2·N·m2)
o ≈ 8.854 × 10−12 F·m−1 (hay C2·N−1·m−2)
Công thức trên cũng có thể được viết ở dạng véc-tơ
với:
• là véc-tơ lực
• là véc-tơ nối hai điện tích điểm được tính theo:
ở đây: và là các véc-tơ vị trí của các điện tích điểm.
Biểu diễn trong thuyết tương đối
Trong lý thuyết tương đối, công thức của lực điện từ hay lực Lorentz, liên hệ giữa thay
đổi trạng thái chuyển động của hạt mang điện với cường độ của trường điện từ, là:
với m và q là khối lượng, và điện tích của hạt; Fαβ là tenxơ cường độ điện từ trường và:
là vận tốc-4 của hạt; τ là c (tốc độ ánh sáng) lần thời gian riêng của hạt.
Lực cơ bản
Lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, theo mô hình chuẩn.
Theo lý thuyết điện động lực học lượng tử, lực này được gây ra bởi sự trao đổi của hạt
trường là photon.
Đây là lực nằm trong bản chất của hầu hết các loại lực mà con người thường quan sát
thấy trong cuộc sống hằng ngày, ngoại trừ lực hấp dẫn của Trái Đất. Gần như mọi tương
tác giữa các nguyên tử đều có thể quy về lực điện từ giữa proton và electron nằm bên
trong. Nó sinh ra tương tác giữa các phân tử, và các lực đẩy và kéo khi tác động cơ học
vào các vật, và tương tác giữa các quỹ đạo của electron, điều khiển các phản ứng hoá
học.