关于电场与磁场的一个简单的问题,望高手指教

来源:百度知道 编辑:UC知道 时间:2024/06/18 13:33:33
假设有两点电荷a和b,两观察者A和B,其中两点电荷与观察者A相对静止,而观察者B则与它们有相对运动,那么从观察者A看来,两点电荷之间只有静电力的作用,并且在静电力的作用下两点电荷会有相对运动,此时从观察者A看来,两点电荷也与它发生着相对运动,从而观察到它们之间会有磁场力的作用,此时在这两种力的作用下,以观察者A来看,它们会有什么样的运动轨迹?现在我们从观察者B来看两点电荷会发生什么样的运动,假设一开始观察者B相对两点电荷和观察者A相对作匀速运动,那么从观察者B看来,两点电荷一开始不止有电场力的作用,同时也有磁场力的作用,那么相对于观察者B来说,两点电荷的运动轨迹又是怎么样?因为两观察者之间相对有匀速运动,所以它们各自观察到的运动轨迹是不同的,但这观察到的两个运动轨迹是否只相差一个匀速运动呢?
此外,假设两电荷之间的相对位置被固定了,那么从观察者A看来,它们之间只有静电力,而从观察者B看来,它们之间同时有电场力和磁场力的作用,这也好像有点不好理解,望高手指教,谢谢!
以上假设的运动都是低速运动,另外我们在大学普通物理学里面知道当运动正电荷的速度远低于光速时,它所激发的磁场B的方向垂直于v和r 所组成的平面,其中r为场点的位置矢量,那么在运动正电荷的速度矢量方向的场点上,它的磁场方向是怎样的?考虑当两正电荷在同一直线上作直线运动时,它们之间除了有电场力作用外,它们的磁场力是如何作用的?

对于两个电荷没有固定的情况,A,B观察到的运动不只相差一个匀速运动。由于maxwell方程组不满足伽利略协变(即牛顿定律满足的变换),而是满足洛伦兹协变,因此整个问题需要在狭义相对论的框架内讨论。我无法计算具体的轨迹,但是在A看来的电荷运动的速度和加速度变换到B的参考系中不是简单的差一个匀速运动。

对于两个电荷固定的情况,你的理解是对的,A看来只有静电力,B看来还有磁力,因为磁场本质上是一种相对论效应。

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假定电荷在z轴上运动,我们建立一个直角坐标系xyz。考虑z轴上某点的磁场Bx, By, Bz。如果在该坐标系下,我们通过某种方法计算得到Bx, By的值,它们构成一个指向某个方向的矢量。我们可以将原坐标系绕z轴任意旋转一个角度,用同样的方法计算一遍,一定会得到相同的结果,但是这是一个旋转了的矢量,这是不可能的结果,因此Bx = By = 0。

现在考虑Bz。按照maxwell方程,rot E = -dB/dt,(这里应该是偏微分)。把这个式子展开,利用Bx = By = 0,就可以得到d/dz(dBz/dt) = 0(这里还是偏微分),这个式子的意思是Bz = f(t) + g(z)。就是说如果Bz有值的话,它作为t,z的函数是分别依赖的。并且Bz在各点随时间是同步变化的。

一般来说这是一个不可能的结果。下面的解释并不十分严格。首先,如果电荷本身在做奇怪的运动的话,它引起的磁场变化在z轴的不同点将有一个延时效应,这是光速不变原理的暗示,就是说t,z必定耦合在一起。除非电荷本身正在做一个周期运动,并且它从无穷远的过去到无穷远的未来都将这样运动,这才可能使Bz在各z点随时间是同步变化。但是仍然有一个问题,可以取一个不同的惯性系来检查这个结果,这个惯性系在z方向上运动。因此原来的结果需要通过洛伦兹变换变换到新的惯性系中,很不幸,洛伦兹变换恰好把t和z紧密耦合在一起。用相对论的话来说就是,在一个惯性系中的同步事件在另一个惯性系中不是同步的。可是前面得出的结果恰恰是Bz在各个z点上同步变化,而之前的计算并没有假定任何参考系。因此结果和相对性原理矛盾。

这些理由强烈暗示,Bz和时间是无关的。但是这又是不可能的,因为它是由电荷的运动引起的(各点电场在