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Force de Lorentz : la trajectoire d'une particule chargée dans un champ magnétique

Calculez la force magnétique sur un proton, un électron ou un ion en mouvement, le rayon de sa trajectoire circulaire, la fréquence cyclotron et le pas de son hélice.

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u (unités de masse atomique)

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× e (charges élémentaires)

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Résultats

Force magnétique sur la particule

1,602 × 10⁻¹³ N

La force est perpendiculaire à la vitesse et au champ : elle courbe la trajectoire sans changer la vitesse

Rayon de la trajectoire (rayon de Larmor)

1,044

Fréquence cyclotron
15,25
Durée d'un tour complet
6,559 × 10⁻⁸ s
Pas de l'hélice (distance parcourue le long du champ par tour)
0

La force des moteurs, des aurores et des accélérateurs

Une particule chargée qui traverse un champ magnétique subit une poussée latérale. C’est elle qui fait tourner les moteurs électriques, qui déviait le faisceau d’électrons des anciens téléviseurs à tube, qui guide les faisceaux des accélérateurs de particules et qui canalise le vent solaire vers les pôles, où il allume les aurores polaires.

Les formules

La partie magnétique de la force de Lorentz vaut :

F = |q| × v × B × sin θ

  • q est la charge de la particule (1,602 × 10⁻¹⁹ coulomb pour un proton ou un électron, le double pour une particule alpha) ;
  • v sa vitesse, B le champ magnétique en teslas et θ l’angle entre la vitesse et le champ.

La force étant toujours perpendiculaire à la vitesse, la particule décrit un cercle de rayon :

r = m × v sin θ ÷ (|q| × B)

à la fréquence cyclotron f = |q| × B ÷ (2π × m). La composante de la vitesse parallèle au champ n’est pas modifiée : la trajectoire devient une hélice dont le pas vaut v cos θ ÷ f.

Exemple

Un proton à 1 000 km/s, perpendiculairement à un champ de 1 tesla :

  • Force : 1,602 × 10⁻¹⁹ × 10⁶ × 1 = 1,6 × 10⁻¹³ N
  • Rayon : 1,673 × 10⁻²⁷ × 10⁶ ÷ (1,602 × 10⁻¹⁹ × 1) ≈ 1,04 cm
  • Fréquence cyclotron : environ 15,2 MHz, soit un tour toutes les 66 nanosecondes

Un électron à la même vitesse tournerait 1 836 fois plus vite sur un rayon 1 836 fois plus petit, car sa masse est 1 836 fois plus faible.

À garder en tête

  • La vitesse ne change pas. La force magnétique ne travaille pas : seul un champ électrique peut accélérer ou freiner la particule.
  • Le sens dépend du signe de la charge. Protons et électrons tournent en sens opposés, ce qui permet aux détecteurs de les distinguer. Le calculateur donne les valeurs absolues.
  • Relativité. Au-delà d’environ 10 % de la vitesse de la lumière, la quantité de mouvement croît plus vite que la vitesse et le rayon réel est plus grand que celui affiché. Les grands accélérateurs, comme le LHC du CERN, sont des synchrotrons qui augmentent le champ à mesure que les particules accélèrent.
  • Les spectromètres de masse reposent sur cette formule : des ions de rapport masse sur charge différent suivent des cercles de rayons différents et frappent le détecteur à des endroits différents.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la force de Lorentz ?

La force que subit une particule chargée en mouvement dans un champ électrique et magnétique, du nom du physicien néerlandais Hendrik Lorentz. Sa partie magnétique vaut F = qvB sin θ, θ étant l'angle entre la vitesse et le champ. Elle est toujours perpendiculaire au mouvement : elle courbe la trajectoire sans accélérer la particule.

Pourquoi la particule décrit-elle un cercle ?

Parce qu'une force toujours perpendiculaire au mouvement est une force centripète. En égalant qvB à mv²/r, on obtient le rayon r = mv ÷ qB. Si la vitesse a une composante parallèle au champ, le cercle s'étire en hélice.

Qu'est-ce que la fréquence cyclotron ?

Le nombre de tours que fait la particule chaque seconde : f = qB ÷ 2πm. Elle ne dépend pas de la vitesse, ce qui a permis à Ernest Lawrence, au début des années 1930, d'accélérer des particules dans son cyclotron avec une tension alternative de fréquence fixe.

Quelle est l'intensité des champs magnétiques courants ?

Le champ terrestre vaut environ 47 microteslas en France (25 à 65 µT selon les régions du globe). Un aimant de réfrigérateur fait environ 5 mT, un appareil d'IRM 1,5 ou 3 T, et les aimants du grand collisionneur LHC du CERN environ 8,3 T.

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.