fuerza de Lorentz

Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético, experimenta un empuje lateral perpendicular tanto a su dirección de movimiento como a la dirección del campo. Este empuje es la fuerza de Lorentz, y es el mecanismo fundamental detrás de los motores eléctricos, los aceleradores de partículas y los sistemas de enfoque magnético. La fuerza no existe cuando la partícula está estacionaria, ni cuando se mueve paralela a las líneas de campo, sino que surge solo cuando la velocidad y el campo tienen un componente perpendicular entre sí.

La magnitud de esta fuerza es proporcional a tres cosas: la carga de la partícula (q, medida en culombios), la intensidad del campo magnético (B, en teslas) y el componente de la velocidad perpendicular a ese campo (v sen θ). La fórmula resultante, F = qvB sen θ, es una de las relaciones más directas en electromagnetismo. Un electrón que se mueve a 1 millón de metros por segundo a través de un campo de 1 tesla experimenta una fuerza de aproximadamente 1.6 × 10^-13 newtons, minúscula en términos absolutos pero decisiva para la trayectoria del electrón incluso en distancias cortas.

Dónde es importante en la práctica

En un motor eléctrico de CC, la corriente fluye a través de bobinas en un campo magnético, y la fuerza de Lorentz sobre cada segmento de cable portador de corriente produce un par. En un tubo de vacío u osciloscopio de rayos catódicos, las bobinas de deflexión magnética utilizan esta fuerza para dirigir los haces de electrones hacia las pantallas con una precisión de nivel micrométrico. Los aceleradores de física de partículas dependen de ella para doblar los haces de protones o electrones a lo largo de trayectorias circulares o curvas sin una pista física. Los sensores de efecto Hall la explotan para medir la intensidad del campo magnético detectando la acumulación lateral de portadores de carga en un conductor portador de corriente colocado en un campo.

La fuerza también puede causar efectos no deseados. En conductores de alta corriente expuestos a campos magnéticos dispersos, la fuerza de Lorentz puede crear tensión mecánica en el cable o hacer que se mueva; los grandes transformadores de potencia y los cables de transmisión deben estar arriostrados para soportar estas fuerzas durante las fallas. Las partículas de rayos cósmicos que se mueven a través del campo magnético de la Tierra son desviadas por este mismo mecanismo, creando las auroras cerca de los polos.

El término honra al físico holandés Hendrik Lorentz, quien formalizó la relación en la década de 1890. La fuerza a menudo se denomina ley de la fuerza de Lorentz cuando se establece como parte de la descripción completa de cómo los campos eléctricos y magnéticos interactúan con cargas y corrientes, aunque en la física moderna la fuerza de Lorentz surge naturalmente de la geometría del espacio-tiempo bajo la relatividad, lo que la hace más fundamental que las ecuaciones de Maxwell de las que se derivó históricamente.