Проблема с подвижным магнитом и проводником - Moving magnet and conductor problem

Проводник движется в магнитном поле.

В проблема с движущимся магнитом и проводником это известный мысленный эксперимент, возникшие в 19 веке, на пересечении улиц классический электромагнетизм и специальная теория относительности. В нем ток в дирижер движется с постоянной скоростью, v, относительно магнит рассчитывается в точка зрения магнита и в системе отсчета проводника. Наблюдаемая величина в эксперименте, ток, в любом случае одна и та же, в соответствии с основными принцип относительности, который гласит: "Только относительный движение наблюдается; не существует абсолютного стандарта отдыха ».^[1] Однако, согласно уравнениям Максвелла, заряды в проводнике испытывают магнитная сила в рамке магнита и электрическая сила в рамке кондуктора. Кажется, что одно и то же явление может иметь два разных описания в зависимости от системы взглядов наблюдателя.

Эта проблема, наряду с Физо эксперимент, то аберрация света, и более косвенно отрицательные тесты на дрейф эфира такой как Эксперимент Майкельсона-Морли, легла в основу разработки Эйнштейном теории относительности.^[2]

Вступление

Эйнштейна Статья 1905 года, которая познакомила мир с теорией относительности, начинается с описания проблемы магнит / проводник.[1]

Известно, что электродинамика Максвелла - как обычно понимается в настоящее время - в применении к движущимся телам приводит к асимметриям, которые, по-видимому, не присущи явлениям. Возьмем, к примеру, взаимное электродинамическое действие магнита и проводника. Наблюдаемое явление здесь зависит только от относительного движения проводника и магнита, в то время как обычный взгляд проводит резкое различие между двумя случаями, в которых одно или другое из этих тел находится в движении. Ведь если магнит находится в движении, а проводник покоится, в окрестности магнита возникает электрическое поле с определенной энергией, производящее ток в местах, где расположены части проводника. Но если магнит неподвижен, а проводник находится в движении, электрическое поле поблизости от магнита не возникает. В проводнике, однако, мы находим электродвижущую силу, которой сама по себе не соответствует энергия, но которая порождает - при условии равенства относительного движения в двух рассмотренных случаях - электрические токи того же пути и силы, что и создаваемые электрическими силами в первом случае.

— А. Эйнштейн, Об электродинамике движущихся тел (1905 г.)

Основное требование к описаниям в разных фреймворках - это последовательный. Последовательность - это проблема, потому что Ньютоновская механика предсказывает одно преобразование (так называемое Галилеевская инвариантность ) для силы которые управляют зарядами и вызывают ток, в то время как электродинамика выражается Уравнения Максвелла предсказывает, что поля порождающие эти силы, трансформируются по-разному (согласно Лоренц-инвариантность ). Наблюдения за аберрацией света, достигающей высшей точки Эксперимент Майкельсона-Морли, установил справедливость лоренц-инвариантности, и развитие специальная теория относительности разрешил возникшее несогласие с механикой Ньютона. Специальная теория относительности пересмотрела преобразование сил в движущихся системах отсчета, чтобы оно соответствовало лоренц-инвариантности. Детали этих преобразований обсуждаются ниже.

В дополнение к согласованности было бы неплохо объединить описания, чтобы они казались независимыми от кадра. Ключом к независимому от рамок описанию является наблюдение, что магнитные поля в одной системе отсчета становятся электрическими полями в другой системе отсчета. Точно так же соленоидный Часть электрических полей (та часть, которая не создается электрическими зарядами) становится магнитным полем в другой системе отсчета: то есть соленоидные электрические поля и магнитные поля являются аспектами одного и того же.^[3] Значит, парадокс разного описания может быть только семантический. Описание, использующее скалярный и векторный потенциалы φ и А вместо B и E избегает семантической ловушки. Лоренц-инвариант четыре вектора А^α = (φ / c, А ) заменяет E и B^[4] и обеспечивает независимое от кадра описание (хотя и менее интуитивное, чем E– B-описание).^[5] Альтернативное объединение описаний - рассматривать физический объект как тензор электромагнитного поля, как описано ниже. Этот тензор содержит как E и B поля как компоненты и имеет одинаковую форму во всех системах отсчета.

Фон

Электромагнитные поля не наблюдаются напрямую. Существование классический Об электромагнитных полях можно судить по движению заряженных частиц, траектории которых наблюдаемы. Электромагнитные поля действительно объясняют наблюдаемые движения классических заряженных частиц.

Сильное требование в физика состоит в том, что все наблюдатели движения частицы соглашаются с траекторией частицы. Например, если один наблюдатель замечает, что частица сталкивается с центром «яблочка», то все наблюдатели должны прийти к такому же выводу. Это требование накладывает ограничения на природу электромагнитных полей и на их преобразование из одной системы отсчета в другую. Это также накладывает ограничения на то, как поля влияют на ускорение и, следовательно, на траектории заряженных частиц.

Возможно, самый простой пример, на который Эйнштейн ссылался в своей статье 1905 года, в которой специальная теория относительности, - задача о проводнике, движущемся в поле магнита. В рамке магнита проводник испытывает магнитный сила. В рамках проводника, движущегося относительно магнита, на проводник действует сила из-за электрический поле. Магнитное поле в корпусе магнита и электрическое поле в корпусе проводника должны давать согласованные результаты в проводнике. Во времена Эйнштейна в 1905 году уравнения поля, представленные Уравнения Максвелла были правильно согласованы. Однако закон движения Ньютона пришлось изменить, чтобы обеспечить согласованные траектории частиц.^[6]

Преобразование полей в предположении преобразований Галилея.

Предполагая, что рамка магнита и рамка проводника связаны между собой Преобразование Галилея, легко вычислить поля и силы в обоих кадрах. Это продемонстрирует, что наведенный ток действительно одинаков в обоих кадрах. В качестве побочного продукта этот аргумент будет также дают общую формулу для электрического и магнитного полей в одной системе отсчета через поля в другой системе отсчета.^[7]

На самом деле кадры нет связанных преобразованием Галилея, но Преобразование Лоренца. Тем не менее, это будет преобразование Галилея. в очень хорошем приближении, на скоростях, намного меньших скорости света.

Величины без штрихов соответствуют остальной раме магнита, а величины со штрихами соответствуют остальной раме проводника. Позволять v - скорость проводника со стороны рамки магнита.

Магнитная рамка

В остальной раме магнита магнитное поле представляет собой некоторое фиксированное поле. B(р), что определяется структурой и формой магнита. Электрическое поле равно нулю.

В общем, сила, действующая на частицу заряда q в дирижере электрическое поле и магнитное поле выражается в (единицах СИ):

${displaystyle mathbf {F} =q(mathbf {E} +mathbf {v} imes mathbf {B} ),}$

куда ${displaystyle q}$ - заряд частицы, ${displaystyle mathbf {v} }$ - скорость частицы и F это Сила Лоренца. Однако здесь электрическое поле равно нулю, поэтому сила, действующая на частицу, равна

${displaystyle mathbf {F} =qmathbf {v} imes mathbf {B} .}$

Каркас проводника

В каркасе проводника находится изменяющееся во времени магнитное поле. B ' связано с магнитным полем B в рамке магнита согласно:^[8]

${displaystyle mathbf {B} '(mathbf {r'} ,t')=mathbf {B} (mathbf {r_{t'}} )}$ куда ${displaystyle mathbf {r_{t'}} =mathbf {r'} +mathbf {v} t'}$

В этом кадре является электрическое поле, а его ротор задается Уравнение Максвелла-Фарадея:

${displaystyle mathbf {abla imes E} '=-{frac {partial mathbf {B} '}{partial t'}}.}$

Это необъяснимо^[9] приводит к:

${displaystyle mathbf {E} '=mathbf {v} imes mathbf {B} .}$

Заряд q в проводнике будет покоиться в рамке проводника. Следовательно, член магнитной силы Сила Лоренца не имеет никакого эффекта, а сила, действующая на заряд, определяется выражением

${displaystyle mathbf {F} '=qmathbf {E} '=qmathbf {v} imes mathbf {B} .}$

Это демонстрирует, что сила одинакова в обоих кадрах (как и следовало ожидать), и поэтому любые наблюдаемые последствия этой силы, такие как индуцированный ток, также будут одинаковыми в обоих кадрах. И это несмотря на то, что сила, как видно, представляет собой электрическую силу в корпусе проводника, но магнитную силу в корпусе магнита.

Формула преобразования Галилея для полей

Аналогичный аргумент можно привести, если корпус магнита также содержит электрические поля. (The Уравнение Ампера-Максвелла также вступает в игру, объясняя, как в системе проводника это движущееся электрическое поле будет вносить вклад в магнитное поле.) Конечным результатом является то, что в целом

${displaystyle mathbf {E} '=mathbf {E} +mathbf {v} imes mathbf {B} }$

${displaystyle mathbf {B} '=mathbf {B} -{frac {1}{c^{2}}}mathbf {v} imes mathbf {E} ,}$

с c то скорость света в свободное место.

Включив эти правила преобразования в полную Уравнения Максвелла, видно, что если уравнения Максвелла верны в одном кадре, то они почти верно в другом, но содержат неверные термины pro by the Преобразование Лоренца, и уравнения преобразования поля также должны быть изменены в соответствии с приведенными ниже выражениями.

Преобразование полей, предсказываемое уравнениями Максвелла

Смотрите также: Классический электромагнетизм и специальная теория относительности

В кадре, движущемся со скоростью v, то E-поле в движущемся кадре, когда нет E-поле в неподвижной рамке магнита Уравнения Максвелла преобразовать как:^[10]

${displaystyle mathbf {E} '=gamma mathbf {v} imes mathbf {B} }$

куда

${displaystyle gamma ={frac {1}{sqrt {1-{(v/c)}^{2}}}}}$

называется Фактор Лоренца и c это скорость света в свободное место. Этот результат является следствием требования, чтобы наблюдатели во всех инерциальные системы отсчета приходят к той же форме для уравнений Максвелла. В частности, все наблюдатели должны видеть одинаковую скорость света. c. Это требование приводит к Преобразование Лоренца для пространства и времени. Предполагая преобразование Лоренца, инвариантность уравнений Максвелла приводит к вышеуказанному преобразованию полей для этого примера.

Следовательно, сила, действующая на заряд, равна

${displaystyle mathbf {F} '=qmathbf {E} '=qgamma mathbf {v} imes mathbf {B} .}$

Это выражение отличается от выражения, полученного из нерелятивистского закона движения Ньютона, в несколько раз. ${displaystyle gamma }$. Специальная теория относительности изменяет пространство и время таким образом, что силы и поля трансформируются последовательно.

Модификация динамики для согласования с уравнениями Максвелла

Рисунок 1: Проводящий стержень с двух инерциальных рамок; в одном кадре штанга движется со скоростью v; в грунтованный рамка штанга неподвижна, потому что заправленная рамка движется с той же скоростью, что и штанга. В B-поле меняется в зависимости от положения в Икс-направление

Сила Лоренца имеет то же форма в обоих кадрах, хотя поля различаются, а именно:

${displaystyle mathbf {F} =qleft[mathbf {E} +mathbf {v} imes mathbf {B} ight].}$

См. Рис. 1. Для упрощения пусть магнитное поле указывает на z-направление и зависит от местоположения Икс, и пусть проводник переводит в положительную Икс-направление со скоростью v. Следовательно, в раме магнита, где движется проводник, сила Лоренца указывает в отрицательном у-направление, перпендикулярное как скорости, так и B-поле. Сила на заряд, здесь только из-за B-поле, есть

${displaystyle F_{y}=-qvB,}$

в то время как в корпусе проводника, где движется магнит, сила также отрицательна у-направлении, а теперь за счет E-поле со значением:

${displaystyle {F_{y}}'=qE'=-qgamma vB.}$

Эти две силы различаются на коэффициент Лоренца γ. Это различие ожидается в релятивистской теории, однако, из-за изменения пространства-времени между кадрами, как обсуждается ниже.

Относительность берет преобразование Лоренца пространства-времени, предложенное инвариантностью уравнений Максвелла, и налагает его на динамика а также (пересмотр Законы движения Ньютона ). В этом примере преобразование Лоренца влияет на Икстолько направление (относительное движение двух кадров происходит по Икс-направление). Отношения, связывающие время и пространство, следующие: простые числа обозначим подвижную рамку проводника):^[11]

${displaystyle x'=gamma (x-vt),quad x=gamma (x'+vt'),}$

${displaystyle t'=gamma (t-{frac {vx}{c^{2}}}),quad t=gamma (t'+{frac {vx'}{c^{2}}}).}$

Эти преобразования приводят к изменению у-компонент сила:

${displaystyle {F_{y}}'=gamma F_{y}.}$

То есть внутри Лоренц-инвариантность, сила нет то же самое во всех системах отсчета, в отличие от галилеевой инвариантности. Но из более раннего анализа, основанного на законе силы Лоренца:

${displaystyle gamma F_{y}=-qgamma vB,quad {F_{y}}'=-qgamma vB,}$

что полностью согласен. Таким образом, сила заряда равна нет то же самое в обоих кадрах, но трансформируется, как и ожидалось, согласно теории относительности.

Смотрите также

• Документы Аннуса Мирабилис
• Лагранжиан Дарвина
• Вихревой ток
• Электрический двигатель
• Мысленные эксперименты Эйнштейна
• Закон Фарадея
• Парадокс Фарадея
• Галилеевская инвариантность
• Инерциальная рамка
• Закон Ленца
• Преобразование Лоренца
• Принцип относительности
• Специальная теория относительности

Ссылки и примечания

1. В Законы физики одинаковы во всех инерциальные системы отсчета.
2. Нортон, Джон Д., Джон Д. (2004), "Исследования Эйнштейна ковариантной электродинамики Галилея до 1905 г.", Архив истории точных наук, 59 (1): 45–105, Bibcode:2004АХЕС ... 59 ... 45Н, Дои:10.1007 / s00407-004-0085-6
3. Есть два составляющие электрического поля: a соленоидальное поле (или же несжимаемое поле) и консервативное поле (или же безвихревое поле). Первое можно преобразовать в магнитное поле путем изменения системы отсчета, второе возникает из электрического заряда и всегда преобразуется в электрическое поле, хотя и разной величины.
4. Символ c представляет скорость света в свободное место.
5. Однако φ и А не распутаны полностью, поэтому два типа E-поля не разделены полностью. Увидеть Джексона От Лоренца к Кулону и другие явные калибровочные преобразования Автор подчеркивает, что Лоренц является нет опечатка.
6. Роджер Пенроуз (Мартин Гарднер: предисловие) (1999). Новый разум императора: о компьютерах, разуме и законах физики. Издательство Оксфордского университета. п. 248. ISBN  0-19-286198-0.
7. Смотри Джексона, Классическая электродинамика, Раздел 5.15.
8. Это выражение можно рассматривать как предположение, основанное на нашем опыте работы с магнитами, что их поля не зависят от их скорости. При релятивистских скоростях или при наличии электрического поля в рамке магнита это уравнение не будет правильным.
9. Чтобы сделать это объяснимым: если проводник движется через B-поле с градиентом ${displaystyle partial B_{z}/partial z}$вдоль оси z с постоянной скоростью ${displaystyle v_{z}=partial z/partial t}$, следует, что в рамке проводника ${displaystyle partial B'_{z}/partial t=v_{z}partial B_{z}/partial z=-(abla imes mathbf {E'} )_{z}=partial E'_{x}/partial y-partial E'_{y}/partial x}$. Видно, что это уравнение согласуется с ${displaystyle mathbf {E'} =mathbf {v} imes mathbf {B} =v_{z}B_{x}{hat {y}}-v_{z}B_{y}{hat {x}}}$, определяя ${displaystyle partial E'_{x}/partial y}$ и ${displaystyle partial E_{y}'/partial x}$ из этого выражения и подставив его в первое выражение при использовании этого ${displaystyle abla cdot mathbf {B} =partial B_{x}/partial x+partial B_{y}/partial y+partial B_{z}/partial z=0}$. Даже в пределе бесконечно малых градиентов ${displaystyle partial B_{z}/partial z}$ эти отношения сохраняются, и поэтому Сила Лоренца Уравнение также справедливо, если магнитное поле в проводнике не меняется во времени. При релятивистских скоростях необходим поправочный коэффициент, см. Ниже и Классический_электромагнетизм_и_специальная_относительность и Lorentz_transformation.
10. Тай Л. Чоу (2006). Электромагнитная теория. Садбери Массачусетс: Джонс и Бартлетт. Глава 10.21, с. 402–403 сл. ISBN  0-7637-3827-1.
11. Тай Л. Чоу (2006). Электромагнитная теория. Садбери Массачусетс: Джонс и Бартлетт. Глава 10.5, с. 368 сл. ISBN  0-7637-3827-1.

дальнейшее чтение

• Эйнштейн, А. (1916). Относительность: специальная и общая теория. Нью-Йорк: Корона. ISBN  0-517-02961-8.
• Фейнман, Ричард П.; Лейтон, Роберт Б.; Пески, Мэтью (2006). Лекции Фейнмана по физике. Том 2. С. 13–6 Глава 13. ISBN  0-8053-9045-6. (Относительность магнитного и электрического полей)

• Миснер, Чарльз; Торн, Кип С. и Уиллер, Джон Арчибальд (1973). Гравитация. Сан-Франциско: В. Х. Фриман. ISBN  0-7167-0344-0.
• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Э. М. (1975). Классическая теория поля (Четвертое пересмотренное английское издание). Оксфорд: Пергамон. ISBN  0-08-018176-7.
• Джексон, Джон Д. (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Вайли. ISBN  0-471-30932-X.
• К. Мёллер (1976). Теория относительности (Второе изд.). Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-560539-X. OCLC  220221617.

внешняя ссылка

• Магниты и проводники в специальной теории относительности