Lorentzkracht, de kracht die werkt op bewegende geladen deeltjes in een magnetisch veld (figuur 1), speelt een cruciale rol in verschillende toepassingen, variërend van elektronische apparaten en motoren, sensoren, beeldvorming tot biomedische toepassingen. Aangetoond is dat het magnetisch veld in staat is om stroom en geleiding af te beelden, hetgeen vele biologische en medische toepassingen heeft, zoals het in kaart brengen van de elektrische activiteit in de hersenen en het hart, en voor het opsporen van abnormale weefsels zoals tumoren door veranderingen in de elektrische eigenschappen. De lorentzkracht speelt een steeds grotere rol in nieuwe beeldvormingstechnieken zoals magneto-akoestische beeldvorming van stroom, beeldvorming door middel van het Hall-effect, ultrasoon geïnduceerde lorentzkrachtbeeldvorming van geleidbaarheid, magneto-akoestische tomografie met magnetische inductie, en lorentzkrachtbeeldvorming van actiestromen met behulp van magnetische resonantiebeeldvorming. Onze groep gebruikt het effect van de lorentzkracht voor de studie van vlammen, elektrochemische reacties, zachte materialen en de Schileren-techniek. Het effect van magnetische velden op ionische stromen is een interdisciplinair concept uit de elektrochemie, de hydrodynamica en het magnetisme. De resultaten zijn soms verrassend, en de opheldering ervan kan leiden tot onverwachte inzichten in fundamentele elektrochemische processen, alsmede tot nieuwe praktische toepassingen. Momenteel werken wij aan het effect van de lorentzkracht op de elektrochemische oscillatiereacties. Wij hebben aangetoond dat de lorentzkracht het massatransport in elektrochemische reacties kan versterken. Dit effect wordt het magnetohydrodynamische (MHD) effect genoemd en wordt veroorzaakt door magnetische krachten die convectieve bewegingen in de elektrolyt teweegbrengen.
 |
Figuur 1: Schematische weergave van de beweging van een geladen deeltje in een magnetisch veld. |
In feite induceert de magnetische kracht een convectieve beweging in de elektrolyt ten gevolge van de Lorentz-kracht die wordt gegeven door:
F= q(E + v × B)
waar E het elektrische veld is, B het magnetische veld en v de snelheid van het geladen deeltje (q). Wanneer een ion (geladen deeltje) het magnetisch veld binnengaat, ondervindt het een kracht die loodrecht staat op de richting van de snelheid van het voorwerp en het magnetisch veld. Deze kracht veroorzaakt een centripetale versnelling en dientengevolge een cirkelvormige beweging van het deeltje in het medium op basis van de hieronder beschreven vergelijkingen. Bij afwezigheid van een elektrisch veld:
Uit deze vergelijkingen blijkt dat een geladen deeltje met een snelheid van v loodrecht op het magnetisch veld zich in een cirkelvormige baan voortbeweegt. De straal van deze cirkelvormige beweging hangt omgekeerd evenredig af van de sterkte van het magnetisch veld. Dit betekent dat we in gebieden met een hoge magnetische veldsterkte een draaiende beweging met een kleinere straal hebben, terwijl in gebieden met een hogere magnetische veldsterkte de straal van de cirkelvormige beweging groter is. In feite wordt de component van de snelheid evenwijdig aan de magnetische veldlijnen niet beïnvloed, aangezien de magnetische kracht nul is voor beweging evenwijdig aan het veld. Hierdoor ontstaat een spiraalvormige beweging in plaats van een cirkelvormige beweging (figuur 2). Daarom verbetert de lorentzkracht de massaoverdracht in elektrochemische cellen vanwege de draaiende en spiraalvormige beweging.
 |
Figuur 2: Schematische weergave van een spiraalvormige beweging van een geladen deeltje in plaats van een cirkelvormige beweging. |