Какова *причина* силы Лоренца?

Нет, нельзя объяснить «причину» глубже, чем объяснение того, что сила Лоренца и уравнения Максвелла постулируются как описание и экспериментально установлено, что они предсказывают правильные результаты. Можно указать определенные мотивы , почему эти уравнения могут быть правильными: например, закон силы Лоренца — один из простейших ковариантных законов Лоренца, который можно написать для вычисления силы (он задается тензорным уравнением$f_\mu = q\,F_{\mu\,\nu} \,v^{\nu}$который является лоренц-ковариантным и$F$представляет собой тензорное поле, описывающее электромагнетизм,$v$четырехкратная скорость частицы заряда$q$и$f$4-сила).

Однако есть подход к расчету, отдаленно напоминающий то, что вы ищете для токов, и это метод виртуальной работы ; посмотрите на это в связи с электростатикой и магнитостатикой: это применимо только в низкочастотном пределе, а также только к стационарным потокам заряда, т.е.стационарные токи. В этом методе вы вычисляете полные энергии, содержащиеся в магнитостатическом поле проводника в двух положениях, бесконечно мало смещенных друг от друга. Составляющая силы/крутящий момент в заданном направлении тогда равна производной этой энергии по параметру линейного перемещения для поступательного/вращательного движения, определяемому этим направлением. В этом методе изменение конфигурации, которая «сжимает» силовые линии вместе, эквивалентно повышению плотности магнитной энергии поля и, следовательно, требует затрат работы.

Как говорит пользователь 7027, ток также ощущает силу в однородном поле, показывая, что очень сложно использовать виртуальную работу для управляемых токов. В этом случае необходим внешний источник тока, чтобы поддерживать постоянный ток против противо-ЭДС, создаваемой движением токов поперек силовых линий, поэтому вам необходимо включить внешний источник в расчет предполагаемой виртуальной работы. Методы виртуальной работы наиболее полезны для пассивных систем, содержащих внутреннюю намагниченность материала и/или неуправляемые кольцевые токи.

В чем причина силы Лоренца?

«Винтовая» природа электромагнетизма. Минковский упоминал об этом в «Пространстве и времени» , как и Максвелл в «О физических силовых линиях »: «движение поступательного движения вдоль оси не может вызвать вращение вокруг этой оси, если только оно не встречается с каким-то особым механизмом, таким как винт» . Вот почему правило правой руки применимо как к электромагнетизму, так и к резьбе. ИМХО, чтобы действительно «понять» это, вы должны принять к сведению классическую электродинамику Джексона : «нужно правильно говорить об электромагнитном поле Fμν, а не E или B отдельно».Затем нужно изобразить Fμν для электрона. Один упрощенный способ сделать это — объединить радиальные силовые линии электрического поля с концентрическими силовыми линиями магнитного поля следующим образом:

Это упрощенно, но теперь вы начинаете понимать «спинорную» природу электрона. И если вы обратили внимание на заголовок страницы Максвелла , вы можете понять, что вихри, вращающиеся в противоположных направлениях, притягиваются , а вихри, вращающиеся в одном направлении, отталкиваются . Хотя электрон не связан с каким-либо движением жидкости, существует вектор Пойнтинга и «циркулирующий поток энергии», так что аналогия работает. В результате, если вы поместите электрон рядом с позитроном, они будут двигаться навстречу друг другу по прямой линии. Но если бросить электрон мимо позитрона, они тоже будут двигаться вокруг друг друга, примерно так:

Это то, что мы видим в позитронии , а теперь и в силе Лоренца.$\mathbf{F} = q\left[\mathbf{E} + (\mathbf{v} \times \mathbf{B})\right]$выглядит очевидным. Это просто комбинация линейной и вращательной силы, возникающая в результате «спинорного» взаимодействия электромагнитного поля. И это соответствует КЭД в том смысле, что электрон и позитрон «обмениваются полем». Позитроний подобен водороду , но легче и недолговечен, а, как вы знаете, водород не сильно влияет на поле.$^*$.

Можно ли объяснить, что на самом деле вызывает силу, действующую на проводник с током в магнитном поле?

Да. Вы можете достаточно легко понять линейные и вращательные силы между заряженными частицами. Следующим шагом является понимание силы вращения заряженной частицы вблизи проводника с током. По сути, это неподвижный столб ионов металлов и движущийся столб электронов. Вы когда-нибудь читали, как Эйнштейн говорил о поле как о состоянии пространства ? Хорошо, видите гравитомагнитное поле , которое автор НАСА Тони Филлипс описывает как «искривленное пространство»? Вы можете думать об электромагнитном поле как о чем-то подобном, но немного более интенсивном. Только если бы у вас было движение относительно него, вы могли бы подумать об этом как о «вращающемся пространстве» и начать говорить о скручивании.ака гниль, что является сокращением от ротора. ИМХО, это ключ к пониманию того, как работают магниты. Все электроны имеют отрицательное электромагнитное поле, а все ионы металлов имеют положительное электромагнитное поле с противоположной хиральностью. Если бы электроны не двигались, противоположные «закрученные поля» почти компенсировали бы друг друга.$^*$. Однако электроны движутся вверх по проводу:

Получается, что вы движетесь через один набор поворотных полей, но не проходите через другой. А когда у вас есть движение относительно поля кручения, вы думаете о нем как о поле вращений, а это и есть магнитное поле . Итак, то, что вы «видите», — это остаточное магнитное поле вокруг провода. Электрон, брошенный мимо провода, движется по кругу не из-за какой-то магической силы, действующей на расстоянии, а потому, что это «динамический спинор в пространстве, затянутом системой отсчета».

Последний шаг — понять, почему два провода движутся вместе . Для этого вы можете представить себе, что ваш электрон заключен в соседний провод. Он движется вверх и движется по кругу. Это вращение означает, что остаточное поле поворота выглядит как поле закручивания, а поскольку вращения представляют собой противоположные вращения влево и вправо, вы снова оказываетесь в ситуации, когда вихри, вращающиеся в противоположных направлениях, притягиваются . Между двумя проводами существует чистое линейное притяжение. Для катапульты согните один из проводов в петлю, чтобы сделать примитивный соленоид, а затем в несколько петель, чтобы получить лучший соленоид, который похож на стержневой магнит. Затем согните его в форме подковы и поместите другой провод между полюсами следующим образом:

_{Изображение предоставлено физикой СЗМ}

Опять же, он движется.

$*$_{Есть остаточное поле, но мы не называем его электрическим полем или магнитным полем. Или электромагнитное поле. Или гравитомагнитное поле.}

Помимо философских дебатов: что является причиной любой силы? Градиент энергии. Я не в настроении делать какие-либо расчеты, но плотность энергии магнитного поля$\sim \vec{H} \cdot \vec B \sim B^2$(тут по крайней мере). Теперь мы смотрим на поле, созданное суперпозицией.$\vec B = \vec B_1 + \vec B_2$с$\vec{B}_i$быть полем вокруг провода$i$. При достаточно большом расстоянии два вклада будут практически нулевыми, но если они достаточно близки, то придется вычислять векторную сумму, значение которой зависит от двух вещей: а) расстояния (составляющего по вектору связи) и б) знаки двух токов (определение знака силы,$(a+b)^2\neq (a-b)^2$).

Да, это можно объяснить. Причиной являются магнитные дипольные моменты электронов и их собственный спин. Подробнее см. мои пояснения в этой статье .

Электроны обладают магнитным дипольным моментом и собственным спином. (Этот спин на самом деле является вращением из-за эксперимента Эйнштейна-де Хааса .) Когда движущиеся электроны входят в непараллельное движению электронов магнитное поле, магнитный дипольный момент электрона выравнивается. Это также выравнивает вращение.

Из-за гироскопического эффекта электрона проволока получает момент и отклоняется в сторону. Возможно, весь процесс усложняется из-за испускания фотонов (электромагнитного излучения проволоки) и смещения спина, а также из-за постоянного нарушения движения электрона из атомной структуры проволоки.