Lorentz kuvveti

Lorentz kuvveti, fizikte, özellikle elektromanyetizmada, elektromanyetik alanların noktasal yük üzerinde oluşturduğu elektrik ve manyetik kuvvetlerin bileşkesidir. Eğer q yük içeren bir parçacık bir elektriksel E ve B manyetik alanın var olduğu bir ortamda v hızında ilerliyor ise bir kuvvet hissedecektir. Oluşturulan herhangi bir kuvvet için, bir de reaktif kuvvet vardır. Manyetik alan için reaktif kuvvet anlamlı olmayabilir, fakat her durumda dikkate alınmalıdır.

(SI birimleri ile). Bu temel denklemdeki farklılıklar, akım taşıyan teldeki manyetik alan kuvvetini tanımlamaktadır (Bazen Laplace kuvveti olarak da anılır). Manyetik alan içinde ilerleyen kapalı tel döngü üzerindeki elektromotiv kuvveti ve ışık hızında hareket eden yük taşıyan bir parçacık üzerindeki kuvveti tanımlar (Lorenz kuvvetinin relativite formudur).

Tarihçiler her ne kadar ilk çalışmaları 1865 yılında James Clerk Maxwell yazdığı bir makaleyle ilişkilendirselerde Lorenz kuvvetinin ilk geliştirilmesi, 1889 yılında Oliver Heaviside’a atfedilmektedir. Hendrik Lorentz denklemi Heaviside’dan birkaç yıl sonra geliştirmiştir.

Pozitif yüklü bir parçacık E alanının doğrusal konumu ile aynı yönde ivmelenir ancak sağ el kuralına göre hız vektörü v ve manyetik alan B’ye dik olarak eğilir (kısaca sağ el başparmağı v vektörünü gösteriyor ise ve işaret parmağı manyetik alan boyunca konuşlandırılırsa, bu durumda F vektörü yönündedir).

qE terimi elektrik kuvveti olarak, öte yandan qv × B terimi manyetik kuvvet olarak tanımlanmaktadır. Bazı tanımlara göre Lorentz kuvveti özellikle manyetik kuvvet formülüne atıfta bulunmaktadır ve toplam elektromanyetik kuvvet (elektriksel kuvvet dahil) için (standart olmayan) başka bir isim kullanmaktadır. Bu çalışma adı geçen sıra dışı sembollemeyi kullanmamaktadır.

ρ ve J’yi elimine ederek, Maxwell's denklemlerini kullanarak ve vektör kalkülus teorilerini değiştirerek denklemin bu formu Maxwell stress tensör’ünü σ, ifade etmekte kullanılır, bunların sonunda Poynting vektörü S ile birleştirilerek genel görecelik kanununda kullanılan elektromanyetik stres-enerji tensörü T’nin, eldesi sağlanır.

XXXX burada c ışık hızını ∇• ıraksaklık tensörünü göstermektedir. Bu denklem enerji akısını (birim zaman ve birim mesafedeki enerji akışı), elektrik ve manyetik alandaki yük miktarı ve hız yerine, yük dağılımı ile ilişkilendirmektedir. Daha detaylı bilgi için klasik elektromagnetizma formülasyonundaki covariant formülasyonunu inceleye bilirsiniz.

18. yüzyılın ortalarında elektromanyetik kuvveti tanımlamak için girişimler nicel olarak başlamıştı. Johann Tobias Mayer tarafından mıknatısın kutuplarına ve başkalarına uygulanan kuvvetin ters kare kanununa uyduğu 1760 yılında ortaya atılmıştır. Aynı fikir Henry Cavendish tarafından da 1762 yılında elektriksel olarak yüklü parçacıklar için söylenmiştir. Ancak her iki durumda da deneysel kanıt ne tamamlayıcı ne de sonuç verici yöndeydi. 1748 yılında Charles-Augustin Coulomb, bir torsion tartısı kullanarak, bu teorinin doğruluğunu bir deney aracılığıyla göstererek kanıtladı.1820 yılında H. C. Ørsted manyetik iğnenin, akım tarafından etkilendiğini keşfetmesinin ardından, aynı sene André-Marie Ampère de bir deney aracılığıyla, iki akım elementi arasındaki kuvvetin açı ile olan bağlantısını açıklamayı başardı. Bütün bu tanımlarda kuvvet hep, elektrik ve manyetik alan cinsinden değil de, duruma dahil olan cisimler ve onların birbirlerine olan uzaklıkları cinsinden bulunuyordu.

Thomson neredeyse doğru olan bu temel formülü türetmeyi başarmıştı, ancak hesaplamada bir hata yapmıştı ve sürülme akımının da tanımını eksik yapmıştı. Bu sebeplerden ötürü formülün önünde olmaması gereken bir ½ bulmuştu. 1885 yılında Oliver Heaviside, vektör gösterimini bulmuş ve bunu Maxwell’in denklemlerine uygulamıştı. Aynı zamanda 1889 yılında da Thomson’un türettiği denklemdeki yanlışı düzelmiş ve hareket halinde olan parçacığa etkiyen doğru manyetik kuvveti bulmuştur. Son olarak 1892 yılında Hendrik Lorentz, kuvvete hem elektrik hem de manyetik alandan gelen katkıları da yazarak, formülün günümüzdeki modern halini türetmiştir. Lorentz, eter ve iletkenlerin Maxwellsel tanımlarından uzaklaşmaya başladı. Bunun yerine, Lorentz madde ve ışık saçan eter arasında bir ayrım belirtti. Maxwell denklemlerini de mikroskobik ölçeklerde uygulamaya karar verdi. Heaviside’ın Maxwell denklemleri versiyonunu, durgun eter üzerinde kullanarak ve buna Lagrange denklemlerini uygulayarak, kuvvet kanununun bugünkü tamamlanmış haline gelmesini ve kendi adıyla anılmasını sağladı.

Pek çok pratik uygulaması olan durumlar için elektrik yükü bulunan bir parçacığın (plazma içindeki elektron veya iyon) oluşturduğu manyetik alan, bir nokta etrafında (yönlendirici merkez) görece hızlı dönme hareketi ve bu noktanın yavaş kaymasının çakıştırılması olarak yapılandırılabilir. Kayma hızı, parçacık türünün yük derecesine, kütlesine veya sıcaklığına bağlı olarak değişir ve olasılıkla elektrik akımlarına ve kimyasal ayrışmalara neden olur.

Modern Maxwell denklemleri elektrik yükü taşıyan parçacıkların ve akımların veya yüklü parçacıkların hareketinin, elektrik ve manyetik alanı nasıl oluşturduğunu tanımlarken, Lorentz kuvveti kanunu elektromanyetik alanın hareket eden yüklü parçacığın üzerinde yarattığı kuvveti tanımlayarak, resmi tamamlamaktadır. Lorentz kuvveti E ve B’nin yüklü bir parçacık üzerindeki etkisini tanımlamaktadır. Ancak bu elektromanyetik kuvvetler bütün resmi kapsamamaktadır. Yüklü parçacılar, muhtemelen yerçekimi ve nükleer kuvvetler gibi diğer kuvvetlerle eşleşmişlerdir. Bu nedenle Maxwell denklemleri diğer fizik kanunlarında ayrı tutulamaz ve yük ve akım yoğunlukları vasıtası ile ilişkilendirilmişlerdir. Nokta yükün Lorentz kanununa verdiği tepki işin bir yönü iken, E ve B’nin akımlar ve yükle nedeni ile oluşması diğer yönüdür.

Gerçek malzemelerde Lorentz kuvveti yüklü parçacıkların davranışını tanımlamakta, hem prensip olarak hem de hesaplama olarak yetersiz kalmaktadır. Bir malzeme ortamında, yüklü parçacıklar hem E’ye hem de B’ye tepki verirler ve ayrıca bu alanları oluştururlar. Karmaşık taşınım denklemleri yüklerin zaman ve uzaydaki tepkilerini belirlemek için çözülmelidir. Örneğin, Boltzman denklemi, Fokker-Planck denklemi veya Navier-Stokes denklemi gibi. Magnetohidrodinamik, akışkanlar dinamiği, elektrohidrodinamik, süper-iletkenlik, yıldız oluşumu gibi konular incelenebilir. Bu konuları irdeleyecek fizik donanımları (kanunlar, denklemler ve matematik vb..) geliştirilmiştir. Bu amaçla Green-Kubo ilişkileri ve Green denklemleri (çoklu gövde teorisi) incelenebilir.

Bu dogma sayısız deneylerle gösterilmiştir. Hatta ışık hızına yaklaşan parçacıklar (v = |v| = c) için de geçerlidir. Bu durumda uzay ve zamanda verilen iki vektör alanı E ve B, elektrik alanı ve manyetik alan olarak tanımlanmıştır. Bu iki alan bütün uzay ve zamanda test yüküne bağlı olarak tanımlanmıştır ve söz konusu kuvvetten etkilenecek bir bir yükün olup olmamasında bağımsız olarak geçerlidir. Ayrıca, E ve B’nin tanımında Lorentz kuvveti tek prensiptir. Çünkü, varsayımsal sonsuz küçük kütle ve yüke sahip “test yükünün” aksine gerçek bir parçacık kendi sınırlı E ve B’sini yaratır ve etkilendiği elektromanyetik kuvveti değiştirir. İlave olarak, yük bir dış etkileyici tarafından ivmelendirilerek kavisli bir yola zorlanırsa, hareketini frenleyen bir radyasyon yayar. Bunun örnekleri olarak Bremsstrahlung ve synchrotron light kavramları incelenebilir. Bu etkiler doğrudan (radyasyon reaksiyon kuvveti) ve dolaylı etkilerin (etrafındaki yük ve akımları etkilemesi) sonucudur. Dahası sonuç kuvveti elektromanyetik kuvvetin yanı sıra yerçekimini, elektro zayıflığı ve diğer kuvvetleri de içermelidir.

Bu net kuvvettir. Telin mükemmel katı cisim olmaması durumunda, ilave olarak moment ve diğer etkiler olacaktır. Bunun bir uygulaması Ampere’in kuvvet kanunudur. Akım taşıyan iki telin, diğerinin manyetik alanı nedeni ile oluşan Lorentz kuvvetlerine bağlı olarak birbirlerini nasıl çektiklerini veya ittiklerini tanımlar. Detaylı bilgi “Ampere’in kuvvet kanunu’ndan” incelenebilir.

Lorentz kuvvetinin manyetik bileşeni olan (q v × B), hareketsel elektromotif kuvvetten sorumludur. Bu kuvvet de elektrik motorlarının altında yatan temel fenomendir. Bir iletken, manyetik alanın içinde hareket ettirildiği zaman, manyetik kuvvet elektronu tel içerisinde ittirmeye çalışır ve bu da bir EMF oluşturur. “Hareketsel EMF” kavramı da bu fenomene uygulanabilir çünkü EMF de telin hareketine bağlı olarak oluşur.

Başka elektriksel motorlarda da, mıknatıs hareket eder, iletkenler etmez. Bu durumda, EMF Lorentz denklemindeki (qE) terimine bağlı olur. Bu durumda elektrik alan değişen manyetik alan sayesinde oluşur ve bu elektrik alan da Maxwell-Faraday denklemlerinde belirtilen bir indüklenmiş EMFe sebep olur.

Farklı kaynaklardan doğmalarına rağmen bu iki EMF de aynı denklem ile açıklanabilir, çünkü EMF teldeki manyetik akıda oluşan değişime tekabül eder. (Bu Faraday’ın Kanunudur.) Einstein’in özel görelilik teorisi de kısmen bu iki etki arasındaki bağı daha iyi anlamaktan esinlenerek yola çıkılmıştır. Hatta, hem elektrik hem manyetik alan, ikisi de aynı elektromanyetik alanın iki farklı yüzüdürler ve bir eylemsiz referans sisteminden, diğerine geçiş yaparlar. Yani elektrik alanın solenoid vektör alan kısmı tamamen manyetik alana dönüşebilir ya da manyetik alan için tam tersi.

Manyetik akı, B manyetik alan, Σ(t) sınırları belirtilmiş (∂Σ(t)) olan yüzey, t kadar bir sürede, dA ise küçük vektör alanı olmaktadır.

EMF’ nin işareti de Lenz Kanunu ile belirlenir. Bu hem hareket halinde olan tel hem de durgun haldeki tel için geçerlidir.

Faraday’ın indüksiyon kanunundan ve Maxwell denklemlerinden Lorentz Kuvveti anlaşılabilir. Aynı şekilde tam tersi olarak, Lorentz Kuvvetinden de Maxwell denklemleri ve Faraday Kanununa ulaşılabilir.

Faraday’ın indüksiyon kanunu telin düzgün ve hareketsiz olup olmamasına ya da hareket halinde olup olmamasına ya da deformasyon aşamasında olup olmadığına bakmaksızın geçerlidir. Ayrıca manyetik alanın sabit veya değişken olmasına da bağlı değildir. Ancak bazı durumlarda Lenz yasasını kullanmanın yetersiz veya zor olduğu durumlar vardır. Bu durumlarda Lorentz kuvveti yasasını kullanmak gereklidir.

Eğer belirli bir zaman boyunca manyetik alan sabitse ve iletken tel manyetik alan içinde hareket ediyorsa, manyetik akı birçok şekilde değişebilir. Örneğin, eğer manyetik alan yere göre değişiyorsa ve tel farklı bir manyetik alanın etkisi altına girecek bir yere gidiyorsa, akı değişir. Buna alternatif olarak eğer tel manyetik alana göre oryantasyon değiştiriyorsa, B • dA diferansiyel elemanı da değişecektir, çünkü B ve dA arasındaki açı da değişecektir. Aynı zamanda akı da değişecektir. Üçüncü bir örnek olarak da, eğer devrenin belirli bir kısmı zamandan bağımsız, düzgün bir manyetik alandan geçiriliyorsa ve bir diğer kısmı da sabit tutuluyorsa, bütün kapalı devreyi bağlayan, göreceli kısımlardaki zaman içindeki değişim sebebiyle bir akı değişimi olabilir. Bu üç durumda da Faraday’ın indüksiyon kanunu, manyetik akı değişimi sebebiyle bir EMF oluşacağı yorumunu yapmamıza yardımcı oluyor.

Ayrıca Maxwell Faraday denklemi, manyetik alanın zamana bağlı olarak değiştiği yerlerde, elektrik alanın korunumlu olmadığını ve bu sebeple skaler alanın gradyeni olarak ifade edilemeyeceğini ve de, dönmesi sıfır olmadığından dolayı gradyen teoremine tabi tutulamayacağını söyler.

Buradaki detay ise parçacığın uzay zamanında, yolunun gerçekçi yay uzunluğuna sahip olması, potansiyel enerjiden fazladan bir katkı gelmiyor olması, ayrıca yüklü bir parçacığın yektör potansiyelinde hareket ederken kazandığı fazladan bir haldir.

Burada ε0 boşluğun elektrik geçirgenliğidir ve μ0 ise boşluğun geçirgenliğidir. Uygulamada “cgs” ve “SI” için kullanılan simgeler dahil edilmezler ve bu birimler içerikten yola çıkılarak tahmin edilmelidir.

Çift vektör ve vektör arasında içsel çarpım ters bakışımlı (anti symmetric) olduğu için burada derecenin önemli olduğuna dikkat çekmek gerekmektedir. Uzay zaman ayrışmasına bağlı olarak hızın elde edilmesi gibi alanlarda bilinen tanımlamayı ortaya koymaktalar.