Coulombin voima ja Lorenzin voima. Sähkömagneettiset voimat

LÄHDE: STUK Sähkömagneettiset kentät.

 Kappale: Sähkömagneettiset voimat. Sivu 128-9.

Sähkömagneettiset voimat

Pienillä alle 100 kHz taajuuksilla sähköisen voiman aiheuttamat muutokset varausten jakaumassa ja niihin liittyvät pienet jännitemuutokset ovat merkittävämpiä kuin kudosten lämpeneminen.

Kudokseen kytkeytynyt sähkökenttä vaikuttaa sähköisen eli Coulombin voiman välityksellä varattuihin hiukkasiin, kuten ioneihin.

Magneettikenttä vaikuttaa magneettisen eli Lorentzin voiman välityksellä vain liikkuviin varauksiin.

Sähkömagneettiset voimat, optinen säteily ja lämpöliike saavat molekyylit ja vapaat ionit liikkumaan, värähtelemään, pyörimään tai muuttamaan suuntaansa kentässä

 (Sisäinen värähtely, joka ilmenee molekyylin muodostavien atomien keskinäisenä liikkeenä, on käytännössä merkittävää vain optisilla aallonpituuksilla. 

Kaasumolekyylien pyöriminen ( vesihöyry) näkyy spektriviivoina infranpuna-alueella.

 Kiinteät tai sähkökentän indusoimat dipolit kääntyilevät sähkökentän tahdissa. Sähkökenttä vetää tai työntää varautuneita hiukkasia kentän suuntaan. Myös dipolimolekyyli, jolla ei ole nettovarausta, voi liikkua epähomogeenisessa sähkökentässä. 

Näitä tunnettuja mekanismeja voidaan osaksi kuvata klassisella teorialla).

Keskeiset mekanismit (kappale 3.2), jotka liittyvät kudosten dielektrisiin ominaisuuksiin, ovat

Maxwellin-Wagnerin polarisaatio,

dipoli-polarisaatio

sekä ionien diffuusio, joka liittyy ionijohtavuuteen.

Sähkökentän voimat vaikuttavat paitsi vapaisiin varauksiin ja dipoleihin myös varauksettomiin hiukkasiin, kuten molekyyleihin, synnyttämällä niihin dipolimomentin.

Sähkömagneettisen kentän tuottama kokonaisvoima F liikkuvaan sähkövaraukseen q saadaan sähköisen ja magneettisen voiman summana kaavasta (4.7), mikä on Lorenzin voima. 

 

F = qE + q(v*B)

F on kokonaisvoima ja E on sähkökentän voimakkuus, B on magneettivuontiheys ja v on varauksen (q) nopeus.

Coulombin voima ( sähköinen vuorovaikutus ) vaikuttaa sähkökentän suuntaan (qE) ja on suoraan verrannollinen kentänvoimakkuuteen ja varauksen suuruuteen.

Lorenzin voima (magneettinen vuorovaikutus) taas vaikuttaa varauksen kulkusuuntaa vasten kohtisuoraan suuntaan ja riippuu magneettikentän voimakkuuden lisäksi varauksen suuruudesta sekä sen nopeudesta (q*v*B) magneettikentän suhteen. Voima on suurimmillaan silloin, kun magneettikentän suunta on varauksen liikesuuntaa vasten kohtisuora.

Jos taas varauksen liike ja magneetikenttä ovat samansuuntaisia,magneettikentän aiheuttama voima on nolla.