フレミングの左手の法則の原理がわかりません

Question

磁界と直交する方向に電流が流れると、両方に直交する方向に力（ローレンツ力）が発生します。
ネットで調べても見つからないのですが、ローレンツ力はどうして発生するのでしょうか。
現在の科学で解明されていないのでしょうか。
分かっているとしたら中学生でもわかる様に解説いただけないでしょうか。

puyo3155 · Accepted Answer

もう少し厳密に言うと、物理の法則に理由がないというには、いくつかのパターンがあります。

①　その理論がその時点において、最先端であり、他の理論や仮説も含めて、説明できるような理屈が存在しない。

例えば、ニュートンが古典力学を発表し、万有引力があるんだ・・・といってから、それが、アインシュタインの相対性理論に上書きされるまでの数百年間、

・質量のあるものには、万有引力がある。地球から生じる万有引力が重力だ。

という理論にはそれ以上の説明はありませんでした。そう考えて作った力学の体系で、星の動き、ボールの軌道などを計算してみると完璧に一致している。だから、その理屈は正しい・・・というだけです。なぜ万有引力が生じるのか？　いくら問いかけても答えはありません。

②　その理論は、新しい理論に置き換えられているが、置き換えられたとしても、別の疑問にぶち当たるだけのこと。
　①の例で言えば、アインシュタインによって、重力の仕組みは解明されています。

万有引力がなんてない。質量が存在すると、空間が歪む。その歪みに応じて、重力が発生するのだ・・・

となりました。なるほど、万有引力がある理由は、わかったのですが、それなら
　
　なぜ、質量があると空間は歪むの？
　なぜ空間が歪むと、重力が発生するの？

という別の疑問にすり替わっただけです。もちろん、単にすり替わったのではなく、一般相対性理論で厳密に計算することで、①では説明できなかった、さまざまな現象が計算可能になっていますが、どこまで行っても、物理は、その時点で自然を記述するに足る、もっとも確からしい仮説・・・であることには変わらない。いくら解明が進んでも、その理論には、本質的には原因も根拠もなく、自然がそうなっていることがわかった、でしかないのです。

③　その理論は、新しい理論に置き換えられているが、あるスコープ（スケール）で考える限り、古典論（旧理論）で十分なこと。
　　一般相対性理論がいくら①を置き換えたといっても、ボールの弾道、自動車の加速、地球の重力を論じるのには、古典論で十分です。つまり、①は厳密には間違いだとわかった今でも、ある条件のもとでは、万有引力の理論は十分に役立ちつわけで、その範囲においては、万有引力に理由はない。自然はそうなっている・・・というのが、一般的です。

その相対性理論さえ、量子論のまえでは古典論とされ、場の量子論で、電磁気学はより洗練され、世は統一理論に向かっている・・・考えればきりがありませんが、どの場合にも、質問者がいうところの、理屈など存在しない。するわけがない。すると思っている時点で、物理のことを本質的には理解していないのだ・・・ということがポイントです。これは、①で言えば、わからないのになぜ万有引力が生じるのか？を執拗に聞くのと似ていませんか？　（厳密には、②とも、③とも言えますが・・・）

難しい問題なので、たどり着きたいなら、頑張って勉強してくださいな。朝永振一郎先生の、物理学とはなんだろう・・・とか、アインシュタインの物理学はいかに創られたか？など、読んでみることをすすめます。

tohoho2 · Answer

高校物理の教科書に、ファラデーの電磁誘導の法則を使って誘導起電力を計算する例があり、ファラデーの電磁誘導の法則の代わりにローレンツ力を使っても同じ起電力を計算できると記載されている。

下の方も書いているように、ファインマンもローレンツ力とマックスウェル方程式（ファラデーの電磁誘導の法則）を統一する原理があるはずだがわからないと言っていたようだが、最近解決されたみたいだな。

https://academist-cf.com/journal/?p=6758

https://academist-cf.com/journal/?p=6758

tknakamuri · Answer

>圧力発生の原理なら分子レベルで説明できます。
甘い。
ものの接触というのは突き詰めれば電磁現象だし、
分子運動の説明にはニュートンの三法則が必要。
何れも経験則で原理は分かっていない。

そもそもどう説明すると原理を語った事になるのかすら不明。

d9win · Answer

それまでの理論に合わない事実が現れる度に書き換えられてきたのが”物理の真理”です。突き詰めて行けば最後は”分からない”になるのは止む了えないと思います。それこそ正直な姿勢ではないでしょうか。例えば電子が何物かは解ってません。それでも、世の中の出来る限りのことを合理的に説明しようとしてきたのが物理学です。

さて、#10回答に”特殊相対性理論とマクスウェル方程式を用いると、簡単にローレンツ力の存在を証明できます”とありますが、よく書物に引用されている例では、特殊相対性理論とクーロンの法則を用いると(#7回答にある)アンペール力を磁場を用いずとも説明できると言うものです。私が理解した限り、ローレンツ力は説明してないと思います。私の知らない説明があるのかも知れませんが...。

ローレンツ力はマックスウェル方程式と独立した概念であると説明する次のサイトがあります。私は、この考え方に組みします。なお、このサイトには、フレミングの左手の法則を"磁場中の電流線路には磁場の密度が大きい方から小さい方に力が働くようだ"と提起する図があります。的を得ている説明のように私は思います。
<http://d.hatena.ne.jp/rikunora/20140521/p1>”マックスウェル方程式は電磁気学の全てではない”

ちなみに、ファインマン物理学-III電磁気の15.6節にも”ローレンツ力は真実で、マックスウェル方程式も真実である”と書かれています。同じシリーズの他の箇所で、"ローレンツ力は経験則である"と書いていたように記憶してます。彼はローレンツ力をマックスウェル方程式とは独立した概念であると考えていると、私は認識してます。

puyo3155 · Answer

回答に進歩がないとか、理由がわからないとか、質問者は回答を曲解してますね。

わからないんじゃなくて、わからないのが物理のすべてに共通する真理ですよってみんな言っているのです。

その意味を理解されたらどうでしょう。進歩がないのは質問者です。

Beshta · Answer

特殊相対性理論とマクスウェル方程式を用いると、簡単にローレンツ力の存在を証明できます。

特殊相対性理論を用いると、移動すると電場が生じると分かるのです。電場があると、クーロン力が生じて、力も同時に発生するのです。

不明な点があったら遠慮なく聞いてください。具体的な数式も扱えます。

fxq11011 · Answer

＞フレミングとは原理が異なると思うのですが。
理解能力なし。
圧力って何か、質問者流にいえば、圧力発生の原理、圧力による実際の効果？。

puyo3155 · Answer

フレミング左手の法則は、ローレンツ力の方向を暗記するための法則ですね。理由はありません。

さらに、ローレンツ力がなぜ生じるかにも、理由はありません。電場や磁場があると、電荷は、こういうふうに力を受けますよ・・・・って言っているだけです。自然がそうなっていて、いまのところそうなっていない証拠もなく、そうなっているとして形式化した法則で、不都合が生じないから、もとのもの法則は正しいと考えよう　・・・というだけです。

じつはそれが物理の根本的な原則です。
発生する事象を、形式化し、自然現象の振る舞いを解明する。しかし、なぜそうなっているか？は、つきつめてもつきつめても、理由などありませんから、すべての法則は、その時点でもっとも確からしい、根本的な原理に関する、仮説ということです。

電場の磁場の振る舞いは、マクスウェルの方程式から。それにローレンツ力を加えれば、電場、磁場における荷電粒子の振る舞いは記述できますが、なぜ電場、磁場があるのか？なぜ荷電粒子はローレンツ力を受けるのか？なぜマクスウェルの方程式がなりたつのか？神のみぞ知るっていうことです。

d9win · Answer

電流を流した平行電線の間には力が働きます(電流の単位Aはこの測定を基にして定義されています)。この力(アンペール力)を、片方の電流による磁場と他方の電流(電荷の流れ)の間に働く力と見なすと、移動する電荷が磁場から力を受けていると解釈することが出来ます。この力がローレンツ力に当たります。(詳しい説明がEMANの物理学の"ローレンツ力"の頁にあります<http://eman-physics.net/electromag/ magnetic2.html>)。(magnetic2の前のスペースを省いたURLを使って下さい)
もっとも、磁場と電荷の間に何故そのような力が働くのかという所まで踏み込んだ分かり易い説明を私は知りません。アンペールの法則やそれに等価であるビオ・サバールの法則と同様に経験則と見なされているように思ってます。

chiha2525 · Answer

神様が『光あれ』と言ったから（チコちゃん風）

光と言うのは電磁波なのですが、電磁波というのは電界と磁界が相互に作用しあっているようなものです。なんでそんなことが出来るの？と言われても分かりませんが、そうならないとこの世の終わりなので、そうなってます。
これが回りまわってフレミングの右手・左手の法則になる、って理解で良いと思います。

フレミングの左手の法則の原理がわかりません

もう少し厳密に言うと、物理の法則に理由がないというには、いくつかのパターンがあります。

高校物理の教科書に、ファラデーの電磁誘導の法則を使って誘導起電力を計算する例があり、ファラデーの電磁誘導の法則の代わりにローレンツ力を使っても同じ起電力を計算できると記載されている。

>圧力発生の原理なら分子レベルで説明できます。

それまでの理論に合わない事実が現れる度に書き換えられてきたのが”物理の真理”です。

回答に進歩がないとか、理由がわからないとか、質問者は回答を曲解してますね。

特殊相対性理論とマクスウェル方程式を用いると、簡単にローレンツ力の存在を証明できます。

＞フレミングとは原理が異なると思うのですが。

フレミング左手の法則は、ローレンツ力の方向を暗記するための法則ですね。

電流を流した平行電線の間には力が働きます(電流の単位Aはこの測定を基にして定義されています)。

神様が『光あれ』と言ったから（チコちゃん風）

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