高校時代に生物と化学しかやっていません。
大学で生物学を専攻としてるので、より深い理解のために知りたいのですが。
物理をほとんど知らない僕にローレンツ力について簡単に説明していただけないでしょうか?お願いします。

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A 回答 (2件)

私も専門は、生物関係です。


おそらくこれからの生物学にも、物理は必要になるので、よく勉強しておいた方がいいですよ。

で、siegmundさんが詳しく、しかも図つきで説明されてるので、補足的に・・

電荷qの粒子が運動している状態ってのは、日常的には、導線に流れる電流が挙げられます。


            導線
            │
    電流の向き ↑ │    → 磁場(B)の向き  
            │
            │


となっている場合、この導線は、画面の垂直向こう側に引っ張られます。
この引っ張ってる力が、ローレンツ力です。
原理としては、電流は荷電粒子の集合体の運動であることを考慮すると siegmundさんの説明から分かると思います。
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ローレンツ力は,運動する荷電粒子が磁場から力を受ける話です.


例えば,電子は荷電粒子です.
荷電粒子が静止していると,磁場から力を受けないのですが,
運動していると磁場から力を受けます.

荷電粒子の電荷をq,速度をv,
磁束密度(磁場の大きさと思っていて結構です)をBとしましょう.
vとBの間の角をθとします(狭い方を取ってください,つまり,0゜≦θ≦180゜).
荷電粒子に働く力の大きさは qvB sinθ,
方向はvにもBにも垂直の方向で,vからBへ右ねじを回して進む向きです.
例えば,下図なら(都合上,θ=90゜になっていますが),
画面に垂直向こう向きです.




│θ
└──→B

ベクトルの外積をご存知なら,力は qv×B です(vとBはベクトル).

したがって,電子を放出して,電子の通り道で磁場をうまくコントロールすると,
電子の進行方向を思うとおりに制御できます.
tatsuji さんがこの回答をCRTで見ているなら,この原理が使われていますよ.
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Qレールガンの反動

レールガンについて調べていて不思議になったのですが
レールガンの反動というのはどの程度の物なのでしょう?

弾頭の初期加速分は普通に発生するとして
ローレンツ力で加速を加えてる分の反動は発生しているのでしょうか?

その場合の反動(反作用の力)は何を介して伝わっているのか?

詳しくわかる方がおられたら教えていただきたく存じます。
また参考文献なども教えていただければ幸いです

Aベストアンサー

普通に「作用反作用の法則」から、ローレンツ力の反動は「ローレンツ力」で発生します。電磁場(電磁力)です。

弾頭が勝手に飛んでいくにしても、その反作用は必ず発生します。

Q【物理化学のSI単位系って何ですか?】 なんで物理化学の世界ではカロリー表記ではなくジュール表記のS

【物理化学のSI単位系って何ですか?】

なんで物理化学の世界ではカロリー表記ではなくジュール表記のSI単位系で統一することになったんですか?

カロリー表記だと何か不都合があったんですか?

SI単位系表記で統一するようになった経緯を教えてください。

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まずSI単位系が何なのか教えてください。

Aベストアンサー

物理の全ての単位は、長さ、重さ(質量)、時間(秒)の組み合わせで表現できる。

ならば、単位系も、長さをm(メートル)、重さをkg、時間を秒、これ等を組み合わせましょうと言う単位系が出来た。
これをSI単位系と言う。
1954年に採択された。


何故それが便利かと言うと、単位の変換などが便利だから。
例えば
力の単位:1kgを毎秒1m加速させるに必要な力を、1N(ニュートン)と決めた。∴1N=1kg・m/s²

仕事の単位:1Nの力で1m動かす仕事量を1J(ジュール)と決めた
∴1J=1N×1m = 1kg・m²/s²

秤で1kgを示すものを、1m持ち上げる仕事は?
と聞かれた場合、カロリーだとm(メートル)、重さをkg、秒がどこのも登場しないから、そのままだと計算できない。

SI単位なら
秤で1kgは重力加速度9.8m/s²が掛っているから、9.8kg・m/s²=9.8N。
それを1m持ち上げるから、9.8N×1m=9.8J と計算出来る。

1カロリー=4.19・・・j となるのは実験結果。

Qローレンツ力がマクスウェル方程式に含まれないのはなぜですか?

マクスウェル方程式はそれだけでは電磁気学の全てを表すことが出来ず、
ローレンツ力を含めて初めて電磁気学の全てを記述出来る。
そうなのですが、ローレンツ力がマクスウェル方程式に含まれないのはなぜなのでしょうか?
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それをしないのはローレンツ力だけが電場と磁場の4つの式と比べて浮いている(起源が異なる)からなのか、単に歴史的なもの(ローレンツ力の方が発見されるのが遅かった)のか何なのでしょうか?

Aベストアンサー

歴史的なことはよくわかりませんので他の方に期待しつつ,ローレンツ力の電磁気学上の位置について思うところを述べます。

マクスウェル方程式は電磁場の生成と変化についての法則を記述したものですから,ローレンツ力の表式が含まれないのは当然かもしれません。その意味では後者は「浮いた」存在といえるでしょう。

ローレンツ力の表式はもちろん,電荷が電磁場から受ける力に対する法則ですから,マクスウェル方程式に自動的に含まれる性質のものではありませんが,原理的な意味は速度v(<<c)をもつ座標系K'に移ると
E'=E+v×B
と電場が変換されるということです。あとは,電気力と電場の関係(または電場の定義?)F=qEがあれば十分というわけですね。

上の変換はマクスウェル方程式と無関係ではなく,マクスウェル方程式がK'においても形を変えない(共変的である)ために,電磁場が4元テンソルとして記述されることが明らかであり,そしてそのローレンツ変換によって上のような電磁場の変換が導き出されるという関係にあります。ローレンツ力の表式は,実は電磁場のローレンツ変換を意味しているのです。

歴史的なことはよくわかりませんので他の方に期待しつつ,ローレンツ力の電磁気学上の位置について思うところを述べます。

マクスウェル方程式は電磁場の生成と変化についての法則を記述したものですから,ローレンツ力の表式が含まれないのは当然かもしれません。その意味では後者は「浮いた」存在といえるでしょう。

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Q物理の理解の深い方にキルヒホッフの法則についての質問 

こんばんは 物理学の初心者なので、読みにくい文章ですが、よろしくお願いします。図は難問題の系統とそのとき方という問題集から抜粋です。いろいろと説明が欠如しているかもしれません、すみません。

キルヒホッフの法則は閉じた回路について成り立ちますよね
では まず、図の回路のR1(抵抗)とC(コンデンサー)の閉じた回路についてキルヒホッフの法則を使うと
流れる電流をi1として左回りに電流が流れるとして v1をコンデンサーにかかる電圧として
R1×i1-v1=0 ですよね
ここで質問です このi1は実際にR1に流れる電流ですよね?ここでいう前文の意味は、i1はR1とCの回路について流れると仮定した電流ですよね?でも、本当にR1に流れる電流とi1は一致しているのですよね(と)解答には書いてあります。

しかし、次はこの図の回路のR1を内部抵抗R1の電池(起電力E1)、Cを内部抵抗R2(起電力E2)の電池におきかえたものとしてください(電池は両方とも正極が上) このときキルヒホッフの法則より右回りに電流i2がながれていると仮定して E2-E1=i2(R2+R1) ですよね?
でも、解答では、実際にR1やR2にながれている電流はi2ではないです。

キルヒホッフで仮定した電流と実際にながれている電流が一致しているというのは、どういうケースであてはまるのでしょうか?

あと、図のCを抵抗R2に変えたとき、
閉じた回路に対してキルヒホッフの法則より、このとき回路に電流iが右まわりにながれているとして
R1i+R2i=0 ですよね?このとき、i=0 またはR1=R2でないといけませんよね ですがR1≠R2 とすると i=0 つまり、電流はながれない このときの理解が全くできません。

どうぞ、よろしくお願いします。

こんばんは 物理学の初心者なので、読みにくい文章ですが、よろしくお願いします。図は難問題の系統とそのとき方という問題集から抜粋です。いろいろと説明が欠如しているかもしれません、すみません。

キルヒホッフの法則は閉じた回路について成り立ちますよね
では まず、図の回路のR1(抵抗)とC(コンデンサー)の閉じた回路についてキルヒホッフの法則を使うと
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R1×i1-v1=0 ですよね
ここで質問です このi...続きを読む

Aベストアンサー

#1です。

>#1で答えていただいたどういうシチュエーションでキルヒホッフでおいた電流と回路として(本当に)流れている電流と一致するのかということが知りたいです。

#3で書いてるけど
> この回路図だったら、閉ループは3つできるけど、
> そのうちの計算に使用するループ2つが、
> 偶然R1の経路を1回しか通ってないだけでは?
R1の経路を閉ループを1回しか使わなければ必然的にそうなります。
または、2回使ってもそのうち1回の電流が0ならそうなります。

Qフレミングの左手の法則(ローレンツ力)とマクスウェル応力の関係について

フレミングの左手の法則(ローレンツ力)とマクスウェル応力の関係について
モータ等の力やトルク(電磁力)発生の原理として、コアレスの物ではF=BLI(フレミングの左手の法則)と鉄心付きの物(電磁力)ではマックスウェルの応力があると思っているのですが、このローレンツ力とマクスウェルの応力は全く別のものでしょうか?それともどちらかが他方の一部と考えられるのでしょうか?マクウスウェルの方程式からローレンツ力は導かれるものでしょうか?ローレンツ力も磁場の応力から説明できるのでしょうか?
等等、この両者の関係を教えてください。インターネットや電磁気学の参考書等で気が向いたときに調べたりするのですが、全く理解までには至っていません。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

マクスウェルの応力からローレンツ力を計算する事も可能なはずです。

Q今大学3年生で物理を学んでいる者です。将来は宇宙物理学を専攻したくて、

今大学3年生で物理を学んでいる者です。将来は宇宙物理学を専攻したくて、具体的にはまだわからないですが、アインシュタインの一般相対性理論やその宇宙への応用か宇宙の始まり辺りをやりたいと思っています。修士まで行くことは決めてあります。博士はまだわかりません。


ですが、正直今かなりまいっています。
自分はあまり頭が良くなくやはりこの辺りだと東大や京大のかなり頭が良い人が集まると聞いて、自分ごときがうまくやっていけるかかなり不安です。
夢を叶える確信が全く持てません。

自分は物理の概念を把握したり、イメージすることや、とことん考えてアイディアを出すことは得意なんですが、数学の式変形がすごく苦手で、後口下手なのでディスカッションとかも苦労しそうです。


しかも、やることが多く、色々不安もあって焦って昔と比べて物理の勉強があまり進まなくなって来ています


高校の時はニュートン力学のF=maの式で今は加速度は位置の2階微分ではないですが、こんな単純な式から全て導けることにむしょうに感動して、電磁気も面白く、大学1、2年でも講義は大変面白く、力学や物理数学、電磁気、線形代数、熱力学など講義の中で知識をどんどん吸収していって、講義にすごく感動したのですが、2年の冬休みに1日中苦手な数学を一気に勉強した反動か春休みぐらいから勉学への情熱が薄れてきてしまいました。

自分はここまでが限界なのかなぁとどうしても自信が持てず、ネガティブに考えてしまいます。


そこで質問なんですが、何かアドバイスして下さいませんか?
皆さんは気分が落ち込んだ時やモチベーションが下がった時どうしていますか?
あと、大学生までに最低どのくらいの数学をマスターすればよろしいでしょうか?
やっぱりどんどん先へ先へと勉強を自分で進ませないと間に合わないのでしょうか?
目安として、1日何時間ぐらい勉強すればよろしいでしょうか?
大学院では上記の宇宙の分野ではどこら辺がよろしいでしょうか?

今大学3年生で物理を学んでいる者です。将来は宇宙物理学を専攻したくて、具体的にはまだわからないですが、アインシュタインの一般相対性理論やその宇宙への応用か宇宙の始まり辺りをやりたいと思っています。修士まで行くことは決めてあります。博士はまだわかりません。


ですが、正直今かなりまいっています。
自分はあまり頭が良くなくやはりこの辺りだと東大や京大のかなり頭が良い人が集まると聞いて、自分ごときがうまくやっていけるかかなり不安です。
夢を叶える確信が全く持てません。

自分は物理の...続きを読む

Aベストアンサー

基本的に「物理頭」はあるんじゃないかと思います。
私は東大出で院卒理博ですが、電磁気学が高校のときからまるでダメ、統計力学なんかサッパリサッパリ♪。
なので、数学に苦手意識があるのはつらいですね。
今だと超ひも理論の第三世代くらいだと思いますが、完全に数学の世界ですから。
まず、ひもから離れて、他にどんな「先端」があるのか、Physical Review Letters何か読んでみたらどうでしょう。
応用の方は日本では応用物理学会が物理学会の一桁以上大きいので(二桁かも)会誌を良く読んでみることをお薦めします。
修士までと言わず、先は余り気にせず面白いことに集中できるかどうか、天性の集中力、想像力、創造力を試してみたら良いと思います。
もしかしたら不思議な「穴」に当たるかも知れないので、応用も厭わずに今は浅く広く情報を集めなさい。
理論って別に世界創造の理論だけが理論じゃないですから。

Q導体棒の中の電子にかかるローレンツ力

一様な磁界Bの中で、磁界と垂直に置かれた、導体でできたレールa,bがある。
a,b間に電気抵抗Rを取り付け、これと平衡に長さlの導体棒を置く。
導体棒を等速vで右方向に動かした。
という問題で、導体棒中の電子が受けるローレンツ力の向きと大きさを求めよ。
という問題があるんですが、このローレンツ力を求めるときに
f = evB
がローレンツ力なので電子の電荷がe、導体棒の速さがvで、磁界がBだからこれが答えだと思ったのですが、
この前に導体棒中の電子の速さを求める問題があり、ローレンツ力の式に導体棒が動く速さか電子の速さどちらを代入すればいいかわからなくなってしまいました。
導体棒が動きローレンツ力が働くから電磁誘導が起こるので導体棒の速さでいいとは思うのですが自信がなくなってきたので教えてほしいです。

Aベストアンサー

原問題文を見てみないと何と答えて良いかわかりませんが、
抵抗が接続されていない状況で速さvで導体棒を動かせば、
f=evB
というローレンツ力が導体棒に沿って働きます。
この力によって電子が移動し、レールa,b間に電位差が生じます。すると、導体棒に誘導電場ができ、この電場が電子に及ぼすクーロン力とローレンツ力がつり合って、電子は移動しなくなります。
抵抗が接続された状態で、導体棒を速さvで動かすと、
f=evB (vは導体棒の速さ)
というローレンツ力が導体棒に沿う向きに働きますが、
V=vBl
という起電力が発生して、回路に、
I=vBl/R
という電流が定常的に流れます。電流が定常的に流れるということは、電子が導体棒に沿う方向にも、
v'=I/(enS)
という速度成分をもっていて、この速度成分に対してもローレンツ力が(導体棒の運動を止めようとする方向に)働きます。導体棒中の全電子に及ぼすこのローレンツ力につり合うような外力を導体棒に加えないと、導体棒は等速度運動を維持できません。
原問題文によっては、2つのローレンツ力の合力を答える必要があるかも知れません。

原問題文を見てみないと何と答えて良いかわかりませんが、
抵抗が接続されていない状況で速さvで導体棒を動かせば、
f=evB
というローレンツ力が導体棒に沿って働きます。
この力によって電子が移動し、レールa,b間に電位差が生じます。すると、導体棒に誘導電場ができ、この電場が電子に及ぼすクーロン力とローレンツ力がつり合って、電子は移動しなくなります。
抵抗が接続された状態で、導体棒を速さvで動かすと、
f=evB (vは導体棒の速さ)
というローレンツ力が導体棒に沿う向きに働きますが、
V...続きを読む

Qローレンツ力によって生じる電流が、新たにローレンツ力を生み出すか

導体を動かすことでローレンツ力がはたらき電流が生じますが、これは導体の動きの向きとは垂直ですよね。この電流はその向きと逆向きに電子が動くことで生じているわけですから、さらにそれによってローレンツ力が発生しそうですが、このような問題は出てきません。

なぜなのでしょうか?

Aベストアンサー

>さらにそれによってローレンツ力が発生しそうですが

発生します。それが棒を押す力に逆らいます。

この力がないと発電機は空回りして発電できません。

>このような問題は出てきません。

そんなことはないと思います。

導体棒 エネルギー保存 あたりで検索してみてください。

Qレールガン

レールガンとは、いったいなんでしょうか?
話には聞いたことはあるんですが、イマイチ想像できません。
もしよろしければ、教えていただけないでしょうか?
あと、レールガンは実在するんでしょうか?

Aベストアンサー

電磁誘導で加速するものでは有りません。

電磁場中に発生する「ローレンツ力(電磁場に対して「直交する方向に発生する力)」を使って物体を加速させる装置です。

リニアモーターの原理で「物体を電磁誘導によって加速させる装置」は「リニアガン」と呼ばれます。

レールガンとリニアガンの決定的な違いは、リニアガンが原理的に最大速度に上限がある(磁場の切り替え速度に左右される)のに対してレールガンでは投入したエネルギーに比例した速度が得られ「理論上」速度の上限はないということです。もちろん実際には「投入可能な電力量や、空気などの抵抗、製造技術、相対論による上限があります。

Qローレンツ力の説明で 画像のように導体棒がvの方向に動いた時、ローレンツ力=電場の力Eが釣り合うまで

ローレンツ力の説明で
画像のように導体棒がvの方向に動いた時、ローレンツ力=電場の力Eが釣り合うまでは理解できるのですが、
その後なぜ電子は等速でb→aへ移動するのでしょうか。
導体棒内に働いている力は釣り合っているので→aも→bも0なのではないのでしょうか

等速でb→aに電子が移動するということになると電流が流れているという事になるのでしょうか

以前、導体棒を磁場内で動かした時、起電力が生じるが電流は流れないと教えてもらったのですが…

Aベストアンサー

No.1&2 です。

>回答を形成した時、b→aに電子が動くのはどのような現象が原因でしょうか

何が「原因」になって、何が「結果」なのかを分けて考えましょう。

(1)「導体棒の中に電場ができる」というのは、導体棒内で電子が b→a に移動して「導体棒の両端に電位差」ができた「結果」です。
 導体棒内で電子が b→a に移動するのは、「磁場中で導体棒を動かした」結果です。

(2)「導体棒の両端に電位差」ができたことを「原因」として、接続した負荷に電流が流れます。(負荷に電流が流れるのは「結果」)

(3)電流が流れた結果、a の電子が減少して「導体棒の両端に電位差」が小さくなります。

(4)この結果、「導体棒の中の電場」が弱まるのでローレンツ力の方が大きくなり、導体棒内で電子が b→a に移動して a の電子を補充します。

 これを繰り返します。
 つまり、全ての現象は「磁場中で導体棒を動かした」ことを原因として起きているのです。これが「すべての原因だ」ということを忘れずに現象の進展を考えないといけません。

 「導体棒の中に電場ができる」というのは「結果」なので、この電場による力で「導体棒の中を a → b に電子が移動する」を考えると本末転倒になります。電子は導体棒の中ではなく、導体棒の外の「負荷」を通って流れます。
 動く導体棒は「電位差、電場を作る発電機」の役割で、これに接続された「負荷」が「電流を流して電力を消費する」ものになるのです。
 上の(4)のように、導体棒の中には電子を補充するように(つまり発電するように)「 b→a 」に電子が移動するのです。

導体棒に「負荷」が接続されていないときには、「磁場中で導体棒を動かした」結果として(1)が起こりますが、(2)以降は起こりません。「何も接続していない乾電池」のような状態です。
(1)→(1’)「導体棒の両端に電位差」ができた結果、この電場による力とローレンツ力が釣り合って、それ以上の電子の移動は起こらない。
ということです。


>電位差がある所に電荷を置いたらF=qEより静電気力を受けるのでb→aに電子が動くように思えますが、

 静的な電場であれば、電位は「a:負、b:正」ですから、電子は逆方向の「a→b」に動こうとします。

>そもそも導体棒内の片寄りは安定しているから電子を置くこともできない…のではないでしょうか

 導体棒内の電荷の片寄りが安定しているのは、まさしく「電場による静電気力(a→b)」と「導体棒が動くことによるローレンツ力(b→a)」が釣り合うからです。
「電子」はもともと導体内に存在する無数の自由電子です。「置く」とはどういうことでしょうか。

>このように内部が釣り合った導体棒が動くと横方向に等速運動するというなら分かるのですが

 運動方程式を考えれば分かるように、「力」は「加速度」として働きますから、「等速運動する」ということは「力が働いていない」(加速度がゼロ)ということです。
誤解しないようにしてください。


 なお、質問者さんが「補足3」で挙げているのは、「電場」はあらかじめ外部から与えているので現象の「原因」です。これは、上に説明した「結果としての電場」とは位置づけが異なります。

No.1&2 です。

>回答を形成した時、b→aに電子が動くのはどのような現象が原因でしょうか

何が「原因」になって、何が「結果」なのかを分けて考えましょう。

(1)「導体棒の中に電場ができる」というのは、導体棒内で電子が b→a に移動して「導体棒の両端に電位差」ができた「結果」です。
 導体棒内で電子が b→a に移動するのは、「磁場中で導体棒を動かした」結果です。

(2)「導体棒の両端に電位差」ができたことを「原因」として、接続した負荷に電流が流れます。(負荷に電流が流れるのは「結果」)...続きを読む


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