Jeśli nie jesteś dobrze zaznajomiony ze szczególną teorią względności, nie ma sposobu, aby naprawdę wyjaśnić to zjawisko. Najlepsze, co można zrobić, to podać zasady przesiąknięte ezoterycznymi ideami, takimi jak „pole elektromagnetyczne” i „niezmienność Lorentza”. Oczywiście nie o to ci chodzi i słusznie, ponieważ fizyka nigdy nie powinna polegać na akceptowaniu reguł przekazanych z góry bez uzasadnienia.

Faktem jest, że magnetyzm to nic innego jak elektrostatyka połączona ze szczególną teorią względności . Niestety, nie znajdziesz wielu książek, które to wyjaśniają - albo autorzy błędnie uważają, że równania Maxwella nie mają uzasadnienia i muszą być zaakceptowane z wiarą, albo są zbyt pogrążeni we własnym ezoterycznym zapisie, aby zatrzymać się, aby rozważyć, co mówią. Jedyną książką, o której wiem, która właściwie traktuje ten temat, jest Electricity and Magnetism Purcella, która została niedawno ponownie wydana w trzecim wydaniu. (Drugie wydanie działa dobrze, jeśli możesz znaleźć kopię.)

Krótki, heurystyczny zarys pomysłu jest następujący. Załóżmy, że istnieje linia ładunków dodatnich poruszająca się wzdłuż osi $ z $ w kierunku dodatnim - prądu. Rozważmy dodatni ładunek $ q $ znajdujący się w $ (x, y, z) = (1,0,0) $, poruszający się w ujemnym kierunku $ z $. Widzimy, że w wyniku tych wszystkich ładunków na $ q $ będzie działała siła elektrostatyczna.

Ale spróbujmy czegoś szalonego - przejdźmy do układu odniesienia $ q $. W końcu prawa fizyki lepiej sprawdzały się pod każdym względem. Oczywiście ładunki składające się na prąd będą poruszały się szybciej w tej klatce. Ale to niewiele, bo przecież siła Coulomba wyraźnie nie dba o prędkość ładunków, a jedynie o ich rozdzielenie. Ale szczególna teoria względności mówi nam coś innego. Mówi się, że obecne ładunki pojawią się bliżej siebie. Jeśli w oryginalnej klatce były rozdzielone o odstępy $ \ Delta z $, to w nowej klatce będą miały odstęp $ \ Delta z \ sqrt {1-v ^ 2 / c ^ 2} $, gdzie $ v $ jest prędkością $ q $ w oryginalnej klatce. Jest to słynny skurcz długości przewidywany przez specjalną teorię względności.

Jeśli obecne ładunki pojawią się bliżej siebie, to wyraźnie $ q $ będzie odczuwać większe elektrostatyczne siła z osi $ z $ jako całości. Będzie on doświadczał dodatkowej siły w dodatnim kierunku $ x $, oddalonej od osi, ponad to, czego moglibyśmy przewidzieć, siedząc w ramie laboratorium. Zasadniczo prawo Coulomba to jedyne prawo siły działające na ładunek, ale tylko rama spoczynkowa ładunku jest ważna do wykorzystania tego prawa do określenia, jaką siłę odczuwa ładunek.

Zamiast nieustannie przechodząc tam iz powrotem między klatkami, wymyślamy pole magnetyczne jako urządzenie matematyczne, które osiąga to samo. Jeśli zostanie właściwie zdefiniowana, całkowicie wyjaśni tę anomalną siłę, której pozornie doświadcza ładunek, gdy obserwujemy go nie w jego własnej ramie spoczynkowej. W przykładzie, przez który właśnie przeszedłem, reguła prawej ręki mówi ci, że powinniśmy przypisać pole magnetyczne prądowi krążącemu wokół osi $ z $ tak, aby wskazywał w dodatnim kierunku $ y $ w miejscu $ q $. Prędkość ładunku jest w ujemnym kierunku $ z $, a więc $ q \ vec {v} \ times \ vec {B} $ punktów w dodatnim kierunku $ x $, tak jak nauczyliśmy się ze zmiany ramek odniesienia .

Pola elektryczne i magnetyczne są tym, jak pole elektromagnetyczne ' wygląda ' z określonego (inercyjnego) układu odniesienia.

Weź naładowany cząstka: w swojej ramie spoczynkowej wydaje się wytwarzać tylko pole elektryczne, a nie pole magnetyczne wcale. Z innego układu odniesienia (w szczególności w ruchu względnym) zobaczymy poruszający się ładunek, a więc prąd, który również generuje pole magnetyczne.

Nie oznacza to, że umieszczenie cząstki w ruch w jakiś sposób przestawił przełącznik wewnątrz cząstki - jest to raczej artefakt naszego wyboru układu odniesienia: obserwatorzy w ruchu względnym będą mierzyć różne siły pól elektrycznych i magnetycznych w taki sam sposób, jak mierzą różne prędkości i pędy.

Istnieją jednak niezmienniki pola elektromagnetycznego, tj. rzeczy, z którymi wszyscy obserwatorzy mogą się zgodzić, w szczególności $$ \ begin {align *} P & = \ mathbf {B} ^ 2 - \ mathbf E ^ 2 \\ Q & = \ mathbf E \, \ cdot \ mathbf B \ end {align *} $$

Weźmy niezerowe pole em z $ P, Q = 0 $, czyli $ \ mathbf E ^ 2 = \ mathbf B ^ 2 $ i $ \ mathbf E \ perp \ mathbf B \;. $ Przykładem może być płaska fala elektromagnetyczna, która dla każdego będzie wyglądać jak fala płaska.

Teraz niech $ P \ not = 0 $, ale $ Q = 0 \;. $ Następnie możemy znaleźć fra mes odniesienia, gdzie zanika albo pole elektryczne (w przypadku $ P>0 $), albo magnetyczne (w przypadku $ P<0 $). Reszta naszej naładowanej cząstki byłaby taka.

Aby uzyskać więcej informacji, zajrzyj do literatury na temat szczególnej teorii względności.

Chociaż odpowiedź Chrisa White'a na pytanie „Dlaczego ruchome ładunki wytwarzają pole magnetyczne?” opublikowany przez nauczyciela liceum (Claws) w zeszłym roku, został wybrany jako najlepsza odpowiedź, myślę, że zawiera kilka pułapek. Chris White wyobraża sobie strumień dodatnich ładunków płynących w kierunku osi $ + z $, podczas gdy ładunek testowy $ + q $ początkowo znajdujący się na $ (1,0,0) $ porusza się w przeciwnym kierunku $ (- z) $ z prędkością $ v $. Następnie zamierza udowodnić, że gdy obserwator znajdzie się w ramie poruszającego się ładunku testowego, zobaczy, oprócz zwykłej siły kulombowskiej (odpychającej) działającej na ładunek testowy, dodatkowe odpychanie w układzie $ + x $ kierunek, którego pochodzenie jest całkowicie relatywistyczne. Dzieje się tak, mówi, ponieważ pierwotna separacja $ Δz_0 $ między ładunkami (patrząc z ramy reszty laboratorium) jest teraz skurczona do $ Δz = Δz_0 \ sqrt {(1-v ^ 2 / c ^ 2)} $ ( „Słynny” skurcz Lorentza).

W konsekwencji wszystkie odległości przepływających ładunków do ładunku testowego stają się mniejsze (tak jakby gęstość ładunku wzrosła), a zatem odpychanie Coulomba również rośnie. Ten nadmiar odpychania jest „złudną” siłą magnetyczną, którą obserwator laboratorium widzi, gdy ładunek testowy porusza się w kierunku $ –z $ z prędkością $ v $.

Krótko mówiąc: nie ma wewnętrznej siły magnetycznej . Wszystko jest siłą Coulomba, widzianą z ramy Lab (czysta siła elektrostatyczna) lub widzianą z ruchomej ramy ładunku (elektrostatyka plus więcej odpychania Coulomba). Możemy tutaj ominąć wszystkie ilościowe szczegóły, które White również pomija, ale nie możemy przeoczyć pułapek :

1. Po pierwsze istnieje sprzeczność słowna: aby zauważyć zakontraktowane $ Δz $, mniejsze niż $ Δz_0 $, obserwator musi znaleźć się w spoczynku z ładunkiem $ q $ (tj. poruszając się z ładunkiem). Ale na końcu White mówi, że nowa „anomalna siła, której pozornie doświadcza ładunek” (tj. Zdefiniowane pole magnetyczne), pojawia się „kiedy obserwujemy je nie we własnej ramie spoczynkowej” (podkreślenie moje). Więc o co chodzi? Aby przewidzieć dodatkową siłę Coulomba (magnetyczną), musimy przyjąć układ poruszającego się ładunku. Ale aby to zaobserwować, musimy pozostać w ramie Lab, która NIE jest ramą ruchomego ładunku.
2. W tym samym duchu istnieje liczbowa pułapka: nowa (skurczona) separacja ładunku Δz obserwowana w ramie ładunku ruchomego oblicza się jako $ Δz = Δz_0 \ sqrt {(1-v ^ 2 / c ^ 2)} $ gdzie $ v $, mówi White, jest „prędkością $ q $ w oryginalnej klatce”. Powinien był umieścić nie $ v $, ale $ 2v $, ponieważ prędkość względna między rosnącym strumieniem ładunku, $ v $, a spadającym ładunkiem testowym, $ -v $, wynosi $ v - (- v) = 2v $ .Więc współczynnik kontrakcji powinien wynosić $ \ sqrt {1-4v ^ 2 / c ^ 2} $.
3. Ponadto, jeśli użyjemy strategii heurystycznej używanej przez White'a, dochodzimy do sprzeczności: Zacznij od wszystkie ładunki w stanie spoczynku: oś $ z $ pełna ładunków i ładunek testowy w wysokości $ (1,0,0) $. Zadzwoń do $ Δz_0 $ separacji między wszystkimi ładunkami w stanie spoczynku. Teraz pozwól, aby ładunki osi $ z $ poruszały się jak poprzednio, z prędkością $ + v $. Już obserwator Laboratorium ORAZ OBCIĄŻENIE TESTOWE $ q $ zobaczy zmniejszenie separacji zgodnie z $ Δz = Δz_0 \ sqrt {(1-v ^ 2 / c ^ 2)} $. Stąd przez te same manewry, co poprzednio, specjalny krewny musi przewidzieć dodatkowe odpychanie „kulombowskie” ze względu na gęstość zagęszczonego ładunku. Zatem przewidziana w ten sposób siła „magnetyczna” musi działać na ładunek ODPOCZYNKOWY o wartości $ (1,0,0) $. I nie jest to przestrzegane. O ile mi wiadomo, żaden prąd wzdłuż osi $ z $ nie może nigdy wytworzyć siły magnetycznej na ładunku spoczynkowym u źródła.

Podsumowując: w przeciwieństwie do tego, co mówi White, magnetyzm to NIE TYLKO elektrostatyka plus szczególna teoria względności. Taki redukcjonistyczny pogląd przekształca magnetyzm w powierzchowną grę między układami odniesienia.

Opłata tworzy pole działające na podstawie innych opłat. Ale działanie tego pola wygląda inaczej niż w różnych układach odniesienia.

Z definicji

• pole elektryczne jest czymś, co przyspiesza inne ładunki i
• pole magnetyczne to coś, co obraca inne ładunki.

Rozważ ładunek w stanie spoczynku. Wytwarza tylko pole elektryczne w swojej ramie spoczynkowej. W tej ramce oddziałuje na inne ładunki, przyspieszając je w kierunku pola elektrycznego $ \ textbf E $. W pozostałej części ładunku widzimy, że wektory pędu innych ładunków w tej ramce są „wzmocnione”.

Jeśli jednak spojrzymy na to z poruszającej się klatki, zobaczymy, że wektory pędu innych ładunków są nie tylko „ przyspieszone ”, ale także „ obrócone ”.

Dzieje się tak po prostu dlatego, że „czyste” przyspieszenie w jednej klatce wygląda jak kombinacja przyspieszenia i obrotu w innej klatce.

Aby uwzględnić ten „nowy efekt” - obrót wektora pędu - fizycy mówią, że w drugiej klatce (czyli poruszające się w granicach ładunku) istnieje pole magnetyczne (oprócz pola elektrycznego, które (z definicji, patrz wyżej) tylko przyspiesza inne ładunki).

Prostą „pierwszą odpowiedzią” byłoby użycie analogii łodzi na jeziorze.Kiedy łódź porusza się po powierzchni wody, zakłóca wodę i tworzy zmarszczki.Kiedy się nie porusza, nie porusza się.

Podobnie, gdy naładowana cząstka porusza się przez „wszechobecne” pole EM (przestrzeń), zaburza pole EM i generuje pole magnetyczne prostopadłe do kierunku ruchu cząstki.

Następnie możesz użyć dowolnej lub wszystkich innych odpowiedzi, które otrzymałeś, aby przejść do bardziej szczegółowych informacji.

Możesz chcieć powiedzieć: „Pole elektryczne ładunku w stanie spoczynku pojawia się jako pole elektryczne i pole magnetyczne, gdy patrzy się na niego z ruchomego układu odniesienia”. Komentarze są słuszne, ładunek jest powiązany z polem elektromagnetycznym. Wygląda jak pole elektrostatyczne, gdy ogląda się je z klatki, w której ładuje się w spoczynku.

Załóżmy, że masz dwa obciążenia. Jeden znajduje się na początku naszego układu współrzędnych. Drugi jest w jakimś dowolnym położeniu $ (x, y, z) $ i załóżmy, że jakaś magiczna siła go tam trzyma, niezależnie od tego, jakie pola elektromagnetyczne mogą się tam pojawić.

Załóżmy, że ładunek u źródła porusza się po linii prostej ze stałą prędkością. Ładunek docelowy otrzymuje aktualizacje położenia poruszającego się ładunku tylko z prędkością światła. Będzie reagować na ruchomy ładunek, nie w zależności od tego, gdzie jest teraz, ale gdzie to było kiedyś w przeszłości.

Gdy poruszający się ładunek zbliża się do ładunku docelowego, część efektu zniweluje efekt ze względu na ładunek znajdujący się na wcześniejszej trajektorii. Odwrotna sytuacja dzieje się, gdy ładunek się oddala. Nastąpi pewne anulowanie pola z powodu nakładających się efektów, przy czym anulowanie to nastąpi w komponencie równoległym do kierunku ruchu.

Poruszający się ładunek uderza z czasem w cel z innej odległości. Poruszający się ładunek uderza z czasem w cel z innego kierunku. Zmieniające się efekty mają opóźnienie przed osiągnięciem celu.