Правка разделов «Условие», «Решение», «Ответ»

marthasg._ правка от
правка #20818 предыдущая #20809 ← раньше позже →
@@ -1,11 +1,58 @@
### Условие
−$14.3.27.$ [Вставьте условие задачи]
+$14.3.27.$
+Когда-нибудь в космическом пространстве будут создаваться гигантские накопители электромагнитной энергии. Один из вариантов такого накопителя -- магнитоэлектрический плоский конденстаор, в котором разноименные электрические заряды, расположенные на пластинках, создают жлектрическое пооле напряженности $E$, а циркулярный ток сверхпроводящей подложки (изолированный от пластин) создает магнитное поле индукции $B$, равный по величине (в системе СГС) $E$. В таком конденсаторе магнитное поле, расталкивающее пластины, будет равно электрическому давлению, притягивающему пластины, и в целом коденсатор будет находиться в равновесии. Поэтому можно создать такие накопители очень больших размеров, так как они не требуют дополнительного крепежа. Докажите, что равновесие в накопителе не изменится при их движении как вдоль, так и поперек пластин.
+![statement.svg|140x265, 50%](../../img/14.3.27/statement.svg)
### Решение
−.
+Введем оси: $x$ -- направление от одной пластины к другой (вдоль $\mathbf{E}$), $y$ -- вертикальное направление в плоскости пластин (вдоль токов $j$), $z$ -- направление "из страниц" (вдоль $\mathbf{B}$).
+Электрическое поле создает натяжение вдоль линий поля -- притяжение пластин с давлением
+$$ P_E = \frac{E^2}{8 \pi} ,$$
+магнитное поле, перпендикулярное $x$, создает давление, расталкивающее пластины:
+$$P_B = \frac{B^2}{8 \pi} .$$
+Результирующее "расталкивающее минус стягивающее" давление на пластину:
+$$ P = \frac{B^2 - E^2}{8 \pi} = 0 , \ \text{так как} \ E = B $$
+Это и есть равновесие в системе отсчёта, где накопитель покоится.
+
+Пусть в собственной системе отсчёта накопителя ($K$) суммарная жлектромагнитная сила, действующая на элемент пластины, равна нулю:
+ $F_{\parallel} = F_{\perp} = 0. $
+ При переходе в любую другую инерциальную систему $K'$, движущуюся относительно $K$ со скоростью $V$, сила преобразуется линейно и однорродно:
+ $$ F_{\parallel}' = F_{\perp} , F_{\perp}' = \frac{F_{\perp}}{\gamma}. $$
+ Так как правые части равны нулю, то и $F_{\parallel} = F_{\perp}' = 0. $ -- в любой системе отсчета, при любом направлении скорости движения накопителя как целого. Это уже доказывает утверждение задачи в общем виде: равновесие, отсутствующее "на пустом месте", не может возникнуть просто оттого, что мы придали системе скорость (или перешли в другую ИСО).
+ Дальше -- явная проверка полей, чтобы увидеть, как именно это происходит.
+ Движение вдоль пластин.
+
+ а) сокрость вдоль $B (v = v \hat{z}).$
+
+ Так как $\mathbf{B} \parallel v, a \mathbf{E} \perp v:$
+ $$E' = \gamma E, \mathbf{B'} = B \hat{z} - \gamma \beta E \hat{y}.$$
+ Проверяем инвариантность: $E'^2 - B'^2 = \gamma ^2 E^2 - (B^2 + \gamma^2 \beta^2 E^2) = E^2 \left[ \gamma^2 (1- \beta^2)-1 \right] = 0, \text{т.е.} \ E' = B' \ \text{сохраняется.} $
+ Подставляя в компоненты тензора натяжений Максвелла $T_{xx} = \frac{E_x^2 + B_x^2 - \frac{1}{2} (E^2 + B^2)}{4 \pi} $ и сдвиговые $T_{xy} , T_{xz},$ получаем:
+ $$ T_{xx}' = 0, \ \ T_{xy}' = 0, \ \ T_{xz}' = 0. $$
+ Давление на пластины ( и все перекосы) строго нулевые -- равновесие сохраняется без каких-либо оговорок.
+
+ б) скорость вдоль тока $ \mathbf{j} (v = v \hat{y})$
+ Здесь и $\mathbf{E}$, и $ \mathbf{B}$ целиком перпендикулярны $v$, а вычисление даёт:
+ $$ E' = \gamma (1 + \beta) E, / / B' = \gamma (1 + \beta) E, $$
+ т.е. поля умножаются на один и тот же релятивистский допплер-множитель - $ \gamma (1 + \beta) $.
+ Равенство $E' = B'$ сохраняется точно, напраления полей не меняются -- снова $ T_{xx}' = T_{xy}' = T_{xz}' = 0. $
+
+ Движение поперек пластин ($v = v \hat{z}$, вдоль Е )
+
+ Здесь $ \mathbf{E} \parallel v, \ \mathbf{B} \perp v:$
+ $$ \mathbf{E}' = E \hat{x} - \gamma \beta E \hat{y}, \ \ \mathbf{B} = \gamma E \hat{z}. $$
+
+ Инвариант по-прежнему даёт $E'^2 = B'^2$ (легко прроверить), но геометрия усложняется: у $\mathbf{E}'$ появляется составляющая вдоль пластин. Если формально подставить эти поля в статическую формулу тензора натяжений, получится кажущийся ненулевой избыток
+ $$ T_{xx}' = - \frac{ \gamma^2 \beta^2 E^2}{4 \pi} \neq 0 .$$
+
+ Это не ошибка равновесия, а признак того, что при движении поперек пластин сами токовые и зарядовые слои пробегают пространство в направлении х -- поле в фиксированной точке $K'$ перестает быть строго станционарным (границы внутри/снаружи конденстаор движутся).
+ Поэтому к статическому балансу натяжений нужно добавлять поток электромагнитного импульса $ \partial g'$ / $ \partial t' \ (\mathbf{g} = \mathbf{E} \times \mathbf{B}$ / $4 \pi c$ ), сосредоточенный как раз на движущихся пластинах. Этот вклад в точности компенсирует кажущийся избыток $ T_{xx}'$ -- иначе противоречил бы общему аргументу выше (сила, равная нулю в собственной системе, преобразуется однородно и остется нулевой).
+
+ Вывод:
+ Поскольку в собственной системе отсчёта накопителя суммарная сила на каждую пластину равна нулю (это и есть данное в условии равенство
+E=B), а сила преобразуется линейно и однородно при переходе в любую другую инерциальную систему, равновесие накопителя не может нарушиться ни при движении вдоль пластин (это подтверждается прямым пересчётом полей — балансировка сохраняется покомпонентно и без каких-либо дополнительных членов), ни при движении поперёк пластин (здесь баланс сохраняется за счёт потока электромагнитного импульса, связанного с перемещением самих заряд-токовых слоёв, что согласуется с общим релятивистским принципом). Таким образом, дополнительного крепежа не требуется ни в покое, ни при любом равномерном движении накопителя как целого.
#### Ответ
+Равновесие сохраняется при любом равномерном движении накопителя — как вдоль, так и поперёк пластин.
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке]