Lorentzin voima, joka vaikuttaa magneettikentässä liikkuviin varattuihin hiukkasiin (kuva 1), on ratkaisevassa asemassa erilaisissa sovelluksissa elektronisista laitteista ja moottoreista, antureista, kuvantamisesta biolääketieteen sovelluksiin. On osoitettu, että magneettikenttä pystyy kuvaamaan virtaa ja johtavuutta, millä on monia biologisia ja lääketieteellisiä sovelluksia, kuten aivojen ja sydämen sähköisen toiminnan kartoittaminen ja epänormaalien kudosten, kuten kasvainten, havaitseminen sähköisten ominaisuuksien muutosten perusteella. Lorentz-voimalla on yhä suurempi merkitys uusissa kuvantamistekniikoissa, kuten virran magnetoakustisessa kuvantamisessa, Hall-ilmiön kuvantamisessa, johtavuuden ultraääni-indusoidussa Lorentz-voiman kuvantamisessa, magnetoakustisessa tomografiassa, jossa on magneetti-induktio, ja toimintavirtojen Lorentz-voiman kuvantamisessa magneettikuvauksen avulla. Ryhmämme käyttää Lorentz-voiman vaikutusta liekin, sähkökemiallisten reaktioiden, pehmeiden materiaalien sekä Schilerenin tekniikan tutkimiseen. Magneettikentän vaikutus ionivirtoihin on poikkitieteellinen käsite sähkökemiasta, hydrodynamiikasta ja magnetismista. Tulokset ovat joskus yllättäviä, ja niiden selvittäminen voi johtaa odottamattomiin oivalluksiin perustavanlaatuisista sähkökemiallisista prosesseista sekä uusiin käytännön sovelluksiin. Tutkimme parhaillaan Lorentz-voiman vaikutusta sähkökemiallisiin värähtelyreaktioihin. Olemme osoittaneet, että Lorentzin voima voi tehostaa massan kuljetusta sähkökemiallisissa reaktioissa. Tätä vaikutusta kutsutaan magnetohydrodynaamiseksi (MHD) vaikutukseksi, ja se johtuu magneettivoimista, jotka aiheuttavat konvektiivisia liikkeitä elektrolyytissä.
 |
Kuva 1: Kaavio varatun hiukkasen liikkeestä magneettikentässä. |
Tosiasiassa magneettivoima saa aikaan konvektiivisen liikkeen elektrolyytissä Lorentz-voiman ansiosta, joka saadaan seuraavalla kaavalla:
F= q(E + v × B)
missä E on sähkökenttä, B on magneettikenttä ja v on varatun hiukkasen nopeus (q). Kun ioni (varattu hiukkanen) joutuu magneettikenttään, kokee se voiman, joka on kohtisuorassa kappaleen nopeuden ja magneettikentän suuntaa vastaan. Tämä voima aiheuttaa keskipakokiihtyvyyden ja siten hiukkasen ympyräliikkeen väliaineessa jäljempänä kuvattujen yhtälöiden perusteella. Sähkökentän puuttuessa:
Näistä yhtälöistä käy ilmi, että varattu hiukkanen, jonka nopeus v on kohtisuorassa magneettikenttään nähden, liikkuu ympyränmuotoisesti. Tämän ympyräliikkeen säde riippuu kääntäen magneettikentän voimakkuudesta. Se tarkoittaa, että alueilla, joilla magneettikentän voimakkuus on suuri, kiertoliikkeen säde on pienempi, kun taas alueilla, joilla magneettikentän voimakkuus on suurempi, kiertoliikkeen säde on suurempi. Itse asiassa magneettikentän linjojen suuntainen nopeuskomponentti ei vaikuta magneettikentän linjojen suuntaiseen nopeuteen, koska magneettinen voima on nolla kentän suuntaisessa liikkeessä. Tämä tuottaa kierteisen liikkeen (eli spiraalimaisen liikkeen) pikemminkin kuin ympyräliikkeen (kuva 2). Lorentz-voima siis parantaa massansiirtoa sähkökemiallisissa kennoissa pyörivän ja spiraalimaisen liikkeen vuoksi.
 |
Kuva 2: Kaavio varatun hiukkasen spiraalimaisesta liikkeestä ympyräliikkeen sijaan. |