Новое решение
ru/14.3.8.md
+876 −0
| @@ -0,0 +1,876 @@ | |||
| + | ### Условие | ||
| + | |||
| + | $14.3.8.$ а. Формула преобразования полей $\vec E$ и $\vec B$ при движении их со скоростью $\vec\beta c$ имеет следующий вид: $\vec E\,' = \vec E_\parallel + \gamma(\vec E_\perp - [\vec\beta \times \vec B])$, $\vec B\,' = \vec B_\parallel + \gamma(\vec B_\perp + [\vec\beta \times \vec E])$, $\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \beta^2}}$, где $\vec E\,'$ и $\vec B\,'$ — электрические и магнитные поля в сносе; $\vec E_\parallel$, $\vec E_\perp$ и $\vec B_\parallel$, $\vec B_\perp$ — составляющие электрических и магнитных полей, параллельные и перпендикулярные $c\vec\beta$ в начальной системе. Движение полей $\vec E\,'$ и $\vec B\,'$ со скоростью $-c\beta$ возвращает прежнее состояние. Проверьте это. | ||
| + | в. Используя приведенные в пункте а формулы преобразования полей, решите задачи 14.3.1–14.3.3, 14.3.5$^{*)}$. | ||
| + | г. Используя приведенные в пункте а формулы преобразований полей, решите задачи 14.3.6 а, б и 14.3.7. | ||
| + | д. Докажите, что при $\beta \to 1$ поля $\vec E\,'$ и $\vec B\,'$ перпендикулярны. | ||
| + | |||
| + | ### Решение | ||
| + | |||
| + | Введём обозначения | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boldsymbol{\beta}=\frac{\mathbf v}{c},\qquad \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Составляющие электрического и магнитного полей, параллельные и перпендикулярные направлению $\boldsymbol{\beta}$, обозначим соответственно индексами $\parallel$ и $\perp$. | ||
| + | |||
| + | По условию преобразования полей имеют вид | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'=\mathbf E_{\parallel}+\gamma\left(\mathbf E_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]\right), | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'=\mathbf B_{\parallel}+\gamma\left(\mathbf B_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]\right). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | #### а) Проверка обратимости преобразований | ||
| + | |||
| + | Сначала преобразуем поля при движении со скоростью $c\boldsymbol{\beta}$. | ||
| + | |||
| + | Параллельные составляющие не изменяются: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'_{\parallel}=\mathbf E_{\parallel},\qquad \mathbf B'_{\parallel}=\mathbf B_{\parallel}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поперечные составляющие равны | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'_{\perp}=\gamma\left(\mathbf E_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]\right), | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'_{\perp}=\gamma\left(\mathbf B_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]\right). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Теперь совершим обратное преобразование, то есть сообщим состоянию скорость $-c\boldsymbol{\beta}$. | ||
| + | |||
| + | Для электрического поля получаем | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E''_{\perp}=\gamma\left(\mathbf E'_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']\right). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поскольку параллельная составляющая $\mathbf B'_{\parallel}$ не даёт вклада в векторное произведение, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']=\gamma\left([\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]\right). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E''_{\perp}=\gamma^2\left(\mathbf E_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]\right). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Слагаемые с $\mathbf B_{\perp}$ сокращаются: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E''_{\perp}=\gamma^2\left(\mathbf E_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]\right). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Используем тождество | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\mathbf a\times[\mathbf a\times\mathbf b]]=\mathbf a(\mathbf a\cdot\mathbf b)-a^2\mathbf b. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Так как вектор $\mathbf E_{\perp}$ перпендикулярен $\boldsymbol{\beta}$, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]=-\beta^2\mathbf E_{\perp}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E''_{\perp}=\gamma^2(1-\beta^2)\mathbf E_{\perp}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Но | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \gamma^2(1-\beta^2)=1, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E''_{\perp}=\mathbf E_{\perp}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Параллельная составляющая при обоих преобразованиях остаётся неизменной: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E''_{\parallel}=\mathbf E_{\parallel}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Таким образом, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E''=\mathbf E}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Аналогично для магнитного поля: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B''_{\perp}=\gamma\left(\mathbf B'_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']\right), | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | откуда после подстановки выражений для $\mathbf B'_{\perp}$ и $\mathbf E'$ получаем | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B''_{\perp}=\gamma^2\left(\mathbf B_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]]\right). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B''_{\perp}=\gamma^2(1-\beta^2)\mathbf B_{\perp}=\mathbf B_{\perp}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Кроме того, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B''_{\parallel}=\mathbf B_{\parallel}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf B''=\mathbf B}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Таким образом, два последовательных преобразования со скоростями $c\boldsymbol{\beta}$ и $-c\boldsymbol{\beta}$ действительно возвращают исходные электрическое и магнитное поля. | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | ### в) Применение формул преобразования | ||
| + | |||
| + | #### Задача 14.3.1 | ||
| + | |||
| + | В собственной системе отсчёта конденсатора магнитного поля нет: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B=0. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Конденсатор движется параллельно пластинам, тогда как электрическое поле направлено перпендикулярно им. Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E\perp\boldsymbol{\beta}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E_{\parallel}=0,\qquad \mathbf E_{\perp}=\mathbf E. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Формула преобразования электрического поля принимает вид | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'=\gamma\mathbf E. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{E'=\gamma E}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Из-за лоренцева сокращения размеры пластин в направлении движения уменьшаются в $\gamma$ раз. Заряд каждой пластины остаётся неизменным, поэтому её поверхностная плотность заряда возрастает в $\gamma$ раз: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\sigma'=\gamma\sigma}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Магнитное поле в движущейся системе равно | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Так как $\mathbf E'=\gamma\mathbf E$, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf B'=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | По модулю | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{B'=\beta E'=\gamma\beta E}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Итак, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\sigma'=\gamma\sigma,\qquad E'=\gamma E,\qquad B'=\beta E'}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | #### Задача 14.3.2 | ||
| + | |||
| + | Теперь скорость конденсатора направлена под углом $\alpha$ к плоскости пластин. | ||
| + | |||
| + | Электрическое поле перпендикулярно пластинам. Поэтому угол между $\mathbf E$ и направлением движения равен $90^\circ-\alpha$. | ||
| + | |||
| + | Разложим поле на составляющие относительно $\boldsymbol{\beta}$: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E_{\parallel}=E\sin\alpha, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E_{\perp}=E\cos\alpha. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Параллельная составляющая при преобразовании не изменяется: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{E'_{\parallel}=E\sin\alpha}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поперечная составляющая увеличивается в $\gamma$ раз: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{E'_{\perp}=\gamma E\cos\alpha}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, полный модуль электрического поля равен | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E'=\sqrt{E_{\parallel}'^{\,2}+E_{\perp}'^{\,2}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{E'=E\sqrt{\sin^2\alpha+\gamma^2\cos^2\alpha}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Магнитное поле возникает вследствие преобразования электрического поля: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | По модулю | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{B'=\gamma\beta E\cos\alpha}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Так как | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E'_{\perp}=\gamma E\cos\alpha, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | имеем | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{B'=\beta E'_{\perp}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | В векторной форме связь особенно проста: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf B'=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Если требуется также поверхностная плотность заряда, то площадь движущейся пластины изменяется по закону | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | S'=S\sqrt{1-\beta^2\cos^2\alpha}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поскольку заряд пластины инвариантен, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\sigma'=\frac{\sigma}{\sqrt{1-\beta^2\cos^2\alpha}}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | При $\alpha=0$ получаем $\sigma'=\gamma\sigma$, как в задаче 14.3.1, а при $\alpha=90^\circ$ площадь пластины не испытывает лоренцева сокращения и $\sigma'=\sigma$. | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | #### Задача 14.3.3 | ||
| + | |||
| + | Пусть $\rho$ — заряд на единицу длины неподвижной нити. | ||
| + | |||
| + | В системе, где нить неподвижна, магнитного поля нет, а электрическое поле в системе СГС равно | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E_r=\frac{2\rho}{r}, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | где $r$ — расстояние до нити. | ||
| + | |||
| + | Нить движется вдоль самой себя, поэтому электрическое поле перпендикулярно скорости: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E\perp\boldsymbol{\beta}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E'_r=\gamma E_r. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Отсюда | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{E'_r=\frac{2\gamma\rho}{r}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Тот же результат можно понять через лоренцево сокращение: длина движущегося участка нити уменьшается в $\gamma$ раз, поэтому линейная плотность заряда возрастает: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \rho'=\gamma\rho. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Тогда | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E'_r=\frac{2\rho'}{r}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Магнитное поле равно | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{B'=\beta E'_r}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{B'=\frac{2\gamma\beta\rho}{r}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Итак, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\rho'=\gamma\rho,\qquad E'_r=\frac{2\gamma\rho}{r},\qquad B'=\frac{2\gamma\beta\rho}{r}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | #### Задача 14.3.5 | ||
| + | |||
| + | В исходной системе отсчёта прямой проводник неподвижен и электрически нейтрален. | ||
| + | |||
| + | Пусть объёмные плотности зарядов ионов и электронов равны | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \rho_i=\rho,\qquad \rho_e=-\rho. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Ионы неподвижны, а электроны движутся вдоль проводника со скоростью $-\beta c$. | ||
| + | |||
| + | Теперь рассмотрим состояние, в котором проводник движется со скоростью | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \beta_1c, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | где | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \beta_1=k\beta. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Введём | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \gamma_1=\frac{1}{\sqrt{1-\beta_1^2}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | ##### Плотность положительных ионов | ||
| + | |||
| + | Ионы в исходной системе неподвижны. В новой системе они движутся со скоростью $\beta_1c$, поэтому расстояния между ними вдоль проводника сокращаются в $\gamma_1$ раз. | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\rho_i'=\gamma_1\rho}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | ##### Плотность электронов | ||
| + | |||
| + | В исходной системе электроны имеют плотность $-\rho$ и движутся со скоростью $\beta c$ относительно проводника. | ||
| + | |||
| + | Перейдём сначала в систему покоя электронов. | ||
| + | |||
| + | Так как в исходной системе их плотность уже увеличена лоренцевым сокращением в $\gamma$ раз, собственная плотность электронов равна | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \rho_{e0}=-\frac{\rho}{\gamma}, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | где | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Относительная скорость электронов и новой системы определяется релятивистским законом сложения скоростей: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \beta_2=\frac{\beta_1-\beta}{1-\beta_1\beta}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Соответствующий лоренцев фактор равен | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \gamma_2=\gamma\gamma_1(1-\beta\beta_1). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому плотность электронов в новой системе составляет | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \rho'_e=\gamma_2\rho_{e0}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Подставляя $\rho_{e0}$, получаем | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \rho'_e=-\gamma_1(1-\beta\beta_1)\rho. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\rho'_e=-\gamma_1(1-\beta\beta_1)\rho}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Полная объёмная плотность заряда проводника теперь не равна нулю: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \rho'_{\Sigma}=\rho'_i+\rho'_e. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Отсюда | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \rho'_{\Sigma}=\gamma_1\rho-\gamma_1(1-\beta\beta_1)\rho. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\rho'_{\Sigma}=\gamma_1\beta\beta_1\rho}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Таким образом, в движущейся системе проводник становится заряженным. | ||
| + | |||
| + | ##### Магнитное поле | ||
| + | |||
| + | В исходной системе электрическое поле отсутствует: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E=0. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Магнитное поле прямого проводника направлено перпендикулярно его оси и, следовательно, перпендикулярно $\boldsymbol{\beta}_1$. | ||
| + | |||
| + | Из формулы преобразования магнитного поля имеем | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B_1=\gamma_1\mathbf B. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{B_1=\gamma_1B}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Именно этот результат приведён в официальном ответе: магнитное поле увеличивается в $\gamma_1$ раз. | ||
| + | |||
| + | ##### Электрическое поле | ||
| + | |||
| + | Из формулы преобразования электрического поля при $\mathbf E=0$: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E_1=-\gamma_1[\boldsymbol{\beta}_1\times\mathbf B]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Но | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B_1=\gamma_1\mathbf B. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E_1=-[\boldsymbol{\beta}_1\times\mathbf B_1]}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | По модулю | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{E_1=\beta_1B_1}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Итак, результаты задачи 14.3.5: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\rho'_i=\gamma_1\rho}, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\rho'_e=-\gamma_1(1-\beta\beta_1)\rho}, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\rho'_{\Sigma}=\gamma_1\beta\beta_1\rho}, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{B_1=\gamma_1B}, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{E_1=\beta_1B_1}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | ### г) Задачи 14.3.6 и 14.3.7 | ||
| + | |||
| + | #### Задача 14.3.6 | ||
| + | |||
| + |  | ||
| + | |||
| + | В исходной системе имеется только магнитное поле: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E=0. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | После перехода к движущемуся состоянию электрическое поле равно | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'=-\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Магнитное поле имеет вид | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'=\mathbf B_{\parallel}+\gamma\mathbf B_{\perp}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Рассмотрим векторное произведение | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поскольку | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\parallel}]=0, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | получаем | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Но | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E'=-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Это точное соотношение. | ||
| + | |||
| + | При малых скоростях | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \beta\ll1 | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | и | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \gamma\approx1. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Кроме того, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'\approx\mathbf B. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E'\approx-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Этот результат показывает, что чисто магнитное поле в одной системе отсчёта в другой системе в общем случае сопровождается электрическим полем. | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | #### Задача 14.3.7 | ||
| + | |||
| + | Теперь в исходной системе существует только электрическое поле: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B=0. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Тогда | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'=\mathbf E_{\parallel}+\gamma\mathbf E_{\perp}, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | а магнитное поле равно | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Рассмотрим | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Параллельная составляющая электрического поля не даёт вклада: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E_{\parallel}]=0. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E_{\perp}]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Но | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E_{\perp}]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf B'=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Это точное соотношение между электрическим и магнитным полями в преобразованной системе. | ||
| + | |||
| + | При | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \beta\ll1 | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | имеем | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \gamma\approx1 | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | и | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'\approx\mathbf E. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf B'\approx[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Таким образом, чисто электрическое поле в одной системе отсчёта в другой системе сопровождается магнитным полем. | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | ### д) Ультрарелятивистский предел $\beta\to1$ | ||
| + | |||
| + | Рассмотрим поперечные составляющие преобразованных полей: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'_{\perp}=\gamma\left(\mathbf E_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]\right), | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'_{\perp}=\gamma\left(\mathbf B_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]\right). | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Пусть | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf n=\frac{\boldsymbol{\beta}}{\beta} | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | — единичный вектор вдоль направления движения. | ||
| + | |||
| + | При | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \beta\to1 | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | можно в главных по $\gamma$ слагаемых положить $\boldsymbol{\beta}\to\mathbf n$. | ||
| + | |||
| + | Введём вектор | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf A=\mathbf E_{\perp}-[\mathbf n\times\mathbf B_{\perp}]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Тогда | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf E'_{\perp}\sim\gamma\mathbf A. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Рассмотрим вектор | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\mathbf n\times\mathbf A]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Имеем | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\mathbf n\times\mathbf A]=[\mathbf n\times\mathbf E_{\perp}]-[\mathbf n\times[\mathbf n\times\mathbf B_{\perp}]]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Поскольку $\mathbf B_{\perp}\perp\mathbf n$, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\mathbf n\times[\mathbf n\times\mathbf B_{\perp}]]=-\mathbf B_{\perp}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | [\mathbf n\times\mathbf A]=\mathbf B_{\perp}+[\mathbf n\times\mathbf E_{\perp}]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Но именно это выражение входит в главную часть преобразованного магнитного поля: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'_{\perp}\sim\gamma[\mathbf n\times\mathbf A]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Таким образом, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathbf B'_{\perp}\sim[\mathbf n\times\mathbf E'_{\perp}]. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Векторное произведение всегда перпендикулярно исходному вектору. Поэтому в ультрарелятивистском пределе | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E'\perp\mathbf B'}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Можно проверить этот результат и с помощью инварианта электромагнитного поля. | ||
| + | |||
| + | При преобразованиях Лоренца сохраняется скалярное произведение | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E'\cdot\mathbf B'=\mathbf E\cdot\mathbf B}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Правая часть остаётся конечной, тогда как в общем случае при $\beta\to1$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E'\sim\gamma,\qquad B'\sim\gamma, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | и поэтому | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | E'B'\sim\gamma^2\to\infty. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Если $\theta'$ — угол между $\mathbf E'$ и $\mathbf B'$, то | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \cos\theta'=\frac{\mathbf E'\cdot\mathbf B'}{E'B'}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следовательно, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \cos\theta'\to0, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | то есть | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\theta'\to\frac{\pi}{2}}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Следует отметить, что это рассуждение относится к обычному невырожденному случаю, когда поперечные составляющие полей не сокращаются между собой. Именно этот случай подразумевается в формулировке задачи. | ||
| + | |||
| + | --- | ||
| + | |||
| + | #### Итог | ||
| + | |||
| + | Последовательные преобразования со скоростями $c\boldsymbol{\beta}$ и $-c\boldsymbol{\beta}$ взаимно обратны: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E''=\mathbf E,\qquad \mathbf B''=\mathbf B}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Для чисто магнитного поля: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E'=-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Для чисто электрического поля: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf B'=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | При малых скоростях: | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf E'\approx-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]}, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\mathbf B'\approx[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | В ультрарелятивистском пределе, в невырожденном случае, | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \boxed{\beta\to1\quad\Longrightarrow\quad\mathbf E'\perp\mathbf B'}. | ||
| + | $$ | ||
| @@ -0,0 +1,876 @@ | |||
| ### Условие | |||
| $14.3.8.$ а. Формула преобразования полей $\vec E$ и $\vec B$ при движении их со скоростью $\vec\beta c$ имеет следующий вид: $\vec E\,' = \vec E_\parallel + \gamma(\vec E_\perp - [\vec\beta \times \vec B])$, $\vec B\,' = \vec B_\parallel + \gamma(\vec B_\perp + [\vec\beta \times \vec E])$, $\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \beta^2}}$, где $\vec E\,'$ и $\vec B\,'$ — электрические и магнитные поля в сносе; $\vec E_\parallel$, $\vec E_\perp$ и $\vec B_\parallel$, $\vec B_\perp$ — составляющие электрических и магнитных полей, параллельные и перпендикулярные $c\vec\beta$ в начальной системе. Движение полей $\vec E\,'$ и $\vec B\,'$ со скоростью $-c\beta$ возвращает прежнее состояние. Проверьте это. | |||
| в. Используя приведенные в пункте а формулы преобразования полей, решите задачи 14.3.1–14.3.3, 14.3.5$^{*)}$. | |||
| г. Используя приведенные в пункте а формулы преобразований полей, решите задачи 14.3.6 а, б и 14.3.7. | |||
| д. Докажите, что при $\beta \to 1$ поля $\vec E\,'$ и $\vec B\,'$ перпендикулярны. | |||
| ### Решение | |||
| Введём обозначения | |||
| $$ | |||
| \boldsymbol{\beta}=\frac{\mathbf v}{c},\qquad \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. | |||
| $$ | |||
| Составляющие электрического и магнитного полей, параллельные и перпендикулярные направлению $\boldsymbol{\beta}$, обозначим соответственно индексами $\parallel$ и $\perp$. | |||
| По условию преобразования полей имеют вид | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'=\mathbf E_{\parallel}+\gamma\left(\mathbf E_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]\right), | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'=\mathbf B_{\parallel}+\gamma\left(\mathbf B_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]\right). | |||
| $$ | |||
| --- | |||
| #### а) Проверка обратимости преобразований | |||
| Сначала преобразуем поля при движении со скоростью $c\boldsymbol{\beta}$. | |||
| Параллельные составляющие не изменяются: | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'_{\parallel}=\mathbf E_{\parallel},\qquad \mathbf B'_{\parallel}=\mathbf B_{\parallel}. | |||
| $$ | |||
| Поперечные составляющие равны | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'_{\perp}=\gamma\left(\mathbf E_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]\right), | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'_{\perp}=\gamma\left(\mathbf B_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]\right). | |||
| $$ | |||
| Теперь совершим обратное преобразование, то есть сообщим состоянию скорость $-c\boldsymbol{\beta}$. | |||
| Для электрического поля получаем | |||
| $$ | |||
| \mathbf E''_{\perp}=\gamma\left(\mathbf E'_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']\right). | |||
| $$ | |||
| Поскольку параллельная составляющая $\mathbf B'_{\parallel}$ не даёт вклада в векторное произведение, | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']=\gamma\left([\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]\right). | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \mathbf E''_{\perp}=\gamma^2\left(\mathbf E_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]\right). | |||
| $$ | |||
| Слагаемые с $\mathbf B_{\perp}$ сокращаются: | |||
| $$ | |||
| \mathbf E''_{\perp}=\gamma^2\left(\mathbf E_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]\right). | |||
| $$ | |||
| Используем тождество | |||
| $$ | |||
| [\mathbf a\times[\mathbf a\times\mathbf b]]=\mathbf a(\mathbf a\cdot\mathbf b)-a^2\mathbf b. | |||
| $$ | |||
| Так как вектор $\mathbf E_{\perp}$ перпендикулярен $\boldsymbol{\beta}$, | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]=-\beta^2\mathbf E_{\perp}. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| \mathbf E''_{\perp}=\gamma^2(1-\beta^2)\mathbf E_{\perp}. | |||
| $$ | |||
| Но | |||
| $$ | |||
| \gamma^2(1-\beta^2)=1, | |||
| $$ | |||
| следовательно, | |||
| $$ | |||
| \mathbf E''_{\perp}=\mathbf E_{\perp}. | |||
| $$ | |||
| Параллельная составляющая при обоих преобразованиях остаётся неизменной: | |||
| $$ | |||
| \mathbf E''_{\parallel}=\mathbf E_{\parallel}. | |||
| $$ | |||
| Таким образом, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E''=\mathbf E}. | |||
| $$ | |||
| Аналогично для магнитного поля: | |||
| $$ | |||
| \mathbf B''_{\perp}=\gamma\left(\mathbf B'_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']\right), | |||
| $$ | |||
| откуда после подстановки выражений для $\mathbf B'_{\perp}$ и $\mathbf E'$ получаем | |||
| $$ | |||
| \mathbf B''_{\perp}=\gamma^2\left(\mathbf B_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]]\right). | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \mathbf B''_{\perp}=\gamma^2(1-\beta^2)\mathbf B_{\perp}=\mathbf B_{\perp}. | |||
| $$ | |||
| Кроме того, | |||
| $$ | |||
| \mathbf B''_{\parallel}=\mathbf B_{\parallel}. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf B''=\mathbf B}. | |||
| $$ | |||
| Таким образом, два последовательных преобразования со скоростями $c\boldsymbol{\beta}$ и $-c\boldsymbol{\beta}$ действительно возвращают исходные электрическое и магнитное поля. | |||
| --- | |||
| ### в) Применение формул преобразования | |||
| #### Задача 14.3.1 | |||
| В собственной системе отсчёта конденсатора магнитного поля нет: | |||
| $$ | |||
| \mathbf B=0. | |||
| $$ | |||
| Конденсатор движется параллельно пластинам, тогда как электрическое поле направлено перпендикулярно им. Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \mathbf E\perp\boldsymbol{\beta}. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| \mathbf E_{\parallel}=0,\qquad \mathbf E_{\perp}=\mathbf E. | |||
| $$ | |||
| Формула преобразования электрического поля принимает вид | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'=\gamma\mathbf E. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \boxed{E'=\gamma E}. | |||
| $$ | |||
| Из-за лоренцева сокращения размеры пластин в направлении движения уменьшаются в $\gamma$ раз. Заряд каждой пластины остаётся неизменным, поэтому её поверхностная плотность заряда возрастает в $\gamma$ раз: | |||
| $$ | |||
| \boxed{\sigma'=\gamma\sigma}. | |||
| $$ | |||
| Магнитное поле в движущейся системе равно | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | |||
| $$ | |||
| Так как $\mathbf E'=\gamma\mathbf E$, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf B'=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']}. | |||
| $$ | |||
| По модулю | |||
| $$ | |||
| \boxed{B'=\beta E'=\gamma\beta E}. | |||
| $$ | |||
| Итак, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\sigma'=\gamma\sigma,\qquad E'=\gamma E,\qquad B'=\beta E'}. | |||
| $$ | |||
| --- | |||
| #### Задача 14.3.2 | |||
| Теперь скорость конденсатора направлена под углом $\alpha$ к плоскости пластин. | |||
| Электрическое поле перпендикулярно пластинам. Поэтому угол между $\mathbf E$ и направлением движения равен $90^\circ-\alpha$. | |||
| Разложим поле на составляющие относительно $\boldsymbol{\beta}$: | |||
| $$ | |||
| E_{\parallel}=E\sin\alpha, | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| E_{\perp}=E\cos\alpha. | |||
| $$ | |||
| Параллельная составляющая при преобразовании не изменяется: | |||
| $$ | |||
| \boxed{E'_{\parallel}=E\sin\alpha}. | |||
| $$ | |||
| Поперечная составляющая увеличивается в $\gamma$ раз: | |||
| $$ | |||
| \boxed{E'_{\perp}=\gamma E\cos\alpha}. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, полный модуль электрического поля равен | |||
| $$ | |||
| E'=\sqrt{E_{\parallel}'^{\,2}+E_{\perp}'^{\,2}}. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| \boxed{E'=E\sqrt{\sin^2\alpha+\gamma^2\cos^2\alpha}}. | |||
| $$ | |||
| Магнитное поле возникает вследствие преобразования электрического поля: | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | |||
| $$ | |||
| По модулю | |||
| $$ | |||
| \boxed{B'=\gamma\beta E\cos\alpha}. | |||
| $$ | |||
| Так как | |||
| $$ | |||
| E'_{\perp}=\gamma E\cos\alpha, | |||
| $$ | |||
| имеем | |||
| $$ | |||
| \boxed{B'=\beta E'_{\perp}}. | |||
| $$ | |||
| В векторной форме связь особенно проста: | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf B'=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']}. | |||
| $$ | |||
| Если требуется также поверхностная плотность заряда, то площадь движущейся пластины изменяется по закону | |||
| $$ | |||
| S'=S\sqrt{1-\beta^2\cos^2\alpha}. | |||
| $$ | |||
| Поскольку заряд пластины инвариантен, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\sigma'=\frac{\sigma}{\sqrt{1-\beta^2\cos^2\alpha}}}. | |||
| $$ | |||
| При $\alpha=0$ получаем $\sigma'=\gamma\sigma$, как в задаче 14.3.1, а при $\alpha=90^\circ$ площадь пластины не испытывает лоренцева сокращения и $\sigma'=\sigma$. | |||
| --- | |||
| #### Задача 14.3.3 | |||
| Пусть $\rho$ — заряд на единицу длины неподвижной нити. | |||
| В системе, где нить неподвижна, магнитного поля нет, а электрическое поле в системе СГС равно | |||
| $$ | |||
| E_r=\frac{2\rho}{r}, | |||
| $$ | |||
| где $r$ — расстояние до нити. | |||
| Нить движется вдоль самой себя, поэтому электрическое поле перпендикулярно скорости: | |||
| $$ | |||
| \mathbf E\perp\boldsymbol{\beta}. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| E'_r=\gamma E_r. | |||
| $$ | |||
| Отсюда | |||
| $$ | |||
| \boxed{E'_r=\frac{2\gamma\rho}{r}}. | |||
| $$ | |||
| Тот же результат можно понять через лоренцево сокращение: длина движущегося участка нити уменьшается в $\gamma$ раз, поэтому линейная плотность заряда возрастает: | |||
| $$ | |||
| \rho'=\gamma\rho. | |||
| $$ | |||
| Тогда | |||
| $$ | |||
| E'_r=\frac{2\rho'}{r}. | |||
| $$ | |||
| Магнитное поле равно | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| \boxed{B'=\beta E'_r}. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \boxed{B'=\frac{2\gamma\beta\rho}{r}}. | |||
| $$ | |||
| Итак, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\rho'=\gamma\rho,\qquad E'_r=\frac{2\gamma\rho}{r},\qquad B'=\frac{2\gamma\beta\rho}{r}}. | |||
| $$ | |||
| --- | |||
| #### Задача 14.3.5 | |||
| В исходной системе отсчёта прямой проводник неподвижен и электрически нейтрален. | |||
| Пусть объёмные плотности зарядов ионов и электронов равны | |||
| $$ | |||
| \rho_i=\rho,\qquad \rho_e=-\rho. | |||
| $$ | |||
| Ионы неподвижны, а электроны движутся вдоль проводника со скоростью $-\beta c$. | |||
| Теперь рассмотрим состояние, в котором проводник движется со скоростью | |||
| $$ | |||
| \beta_1c, | |||
| $$ | |||
| где | |||
| $$ | |||
| \beta_1=k\beta. | |||
| $$ | |||
| Введём | |||
| $$ | |||
| \gamma_1=\frac{1}{\sqrt{1-\beta_1^2}}. | |||
| $$ | |||
| ##### Плотность положительных ионов | |||
| Ионы в исходной системе неподвижны. В новой системе они движутся со скоростью $\beta_1c$, поэтому расстояния между ними вдоль проводника сокращаются в $\gamma_1$ раз. | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\rho_i'=\gamma_1\rho}. | |||
| $$ | |||
| ##### Плотность электронов | |||
| В исходной системе электроны имеют плотность $-\rho$ и движутся со скоростью $\beta c$ относительно проводника. | |||
| Перейдём сначала в систему покоя электронов. | |||
| Так как в исходной системе их плотность уже увеличена лоренцевым сокращением в $\gamma$ раз, собственная плотность электронов равна | |||
| $$ | |||
| \rho_{e0}=-\frac{\rho}{\gamma}, | |||
| $$ | |||
| где | |||
| $$ | |||
| \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. | |||
| $$ | |||
| Относительная скорость электронов и новой системы определяется релятивистским законом сложения скоростей: | |||
| $$ | |||
| \beta_2=\frac{\beta_1-\beta}{1-\beta_1\beta}. | |||
| $$ | |||
| Соответствующий лоренцев фактор равен | |||
| $$ | |||
| \gamma_2=\gamma\gamma_1(1-\beta\beta_1). | |||
| $$ | |||
| Поэтому плотность электронов в новой системе составляет | |||
| $$ | |||
| \rho'_e=\gamma_2\rho_{e0}. | |||
| $$ | |||
| Подставляя $\rho_{e0}$, получаем | |||
| $$ | |||
| \rho'_e=-\gamma_1(1-\beta\beta_1)\rho. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\rho'_e=-\gamma_1(1-\beta\beta_1)\rho}. | |||
| $$ | |||
| Полная объёмная плотность заряда проводника теперь не равна нулю: | |||
| $$ | |||
| \rho'_{\Sigma}=\rho'_i+\rho'_e. | |||
| $$ | |||
| Отсюда | |||
| $$ | |||
| \rho'_{\Sigma}=\gamma_1\rho-\gamma_1(1-\beta\beta_1)\rho. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\rho'_{\Sigma}=\gamma_1\beta\beta_1\rho}. | |||
| $$ | |||
| Таким образом, в движущейся системе проводник становится заряженным. | |||
| ##### Магнитное поле | |||
| В исходной системе электрическое поле отсутствует: | |||
| $$ | |||
| \mathbf E=0. | |||
| $$ | |||
| Магнитное поле прямого проводника направлено перпендикулярно его оси и, следовательно, перпендикулярно $\boldsymbol{\beta}_1$. | |||
| Из формулы преобразования магнитного поля имеем | |||
| $$ | |||
| \mathbf B_1=\gamma_1\mathbf B. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| \boxed{B_1=\gamma_1B}. | |||
| $$ | |||
| Именно этот результат приведён в официальном ответе: магнитное поле увеличивается в $\gamma_1$ раз. | |||
| ##### Электрическое поле | |||
| Из формулы преобразования электрического поля при $\mathbf E=0$: | |||
| $$ | |||
| \mathbf E_1=-\gamma_1[\boldsymbol{\beta}_1\times\mathbf B]. | |||
| $$ | |||
| Но | |||
| $$ | |||
| \mathbf B_1=\gamma_1\mathbf B. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E_1=-[\boldsymbol{\beta}_1\times\mathbf B_1]}. | |||
| $$ | |||
| По модулю | |||
| $$ | |||
| \boxed{E_1=\beta_1B_1}. | |||
| $$ | |||
| Итак, результаты задачи 14.3.5: | |||
| $$ | |||
| \boxed{\rho'_i=\gamma_1\rho}, | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| \boxed{\rho'_e=-\gamma_1(1-\beta\beta_1)\rho}, | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| \boxed{\rho'_{\Sigma}=\gamma_1\beta\beta_1\rho}, | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| \boxed{B_1=\gamma_1B}, | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| \boxed{E_1=\beta_1B_1}. | |||
| $$ | |||
| --- | |||
| ### г) Задачи 14.3.6 и 14.3.7 | |||
| #### Задача 14.3.6 | |||
|  | |||
| В исходной системе имеется только магнитное поле: | |||
| $$ | |||
| \mathbf E=0. | |||
| $$ | |||
| После перехода к движущемуся состоянию электрическое поле равно | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'=-\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]. | |||
| $$ | |||
| Магнитное поле имеет вид | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'=\mathbf B_{\parallel}+\gamma\mathbf B_{\perp}. | |||
| $$ | |||
| Рассмотрим векторное произведение | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']. | |||
| $$ | |||
| Поскольку | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\parallel}]=0, | |||
| $$ | |||
| получаем | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]. | |||
| $$ | |||
| Но | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B_{\perp}]. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E'=-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']}. | |||
| $$ | |||
| Это точное соотношение. | |||
| При малых скоростях | |||
| $$ | |||
| \beta\ll1 | |||
| $$ | |||
| и | |||
| $$ | |||
| \gamma\approx1. | |||
| $$ | |||
| Кроме того, | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'\approx\mathbf B. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E'\approx-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]}. | |||
| $$ | |||
| Этот результат показывает, что чисто магнитное поле в одной системе отсчёта в другой системе в общем случае сопровождается электрическим полем. | |||
| --- | |||
| #### Задача 14.3.7 | |||
| Теперь в исходной системе существует только электрическое поле: | |||
| $$ | |||
| \mathbf B=0. | |||
| $$ | |||
| Тогда | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'=\mathbf E_{\parallel}+\gamma\mathbf E_{\perp}, | |||
| $$ | |||
| а магнитное поле равно | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | |||
| $$ | |||
| Рассмотрим | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']. | |||
| $$ | |||
| Параллельная составляющая электрического поля не даёт вклада: | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E_{\parallel}]=0. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']=\gamma[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E_{\perp}]. | |||
| $$ | |||
| Но | |||
| $$ | |||
| [\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E_{\perp}]. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf B'=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']}. | |||
| $$ | |||
| Это точное соотношение между электрическим и магнитным полями в преобразованной системе. | |||
| При | |||
| $$ | |||
| \beta\ll1 | |||
| $$ | |||
| имеем | |||
| $$ | |||
| \gamma\approx1 | |||
| $$ | |||
| и | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'\approx\mathbf E. | |||
| $$ | |||
| Поэтому | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf B'\approx[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]}. | |||
| $$ | |||
| Таким образом, чисто электрическое поле в одной системе отсчёта в другой системе сопровождается магнитным полем. | |||
| --- | |||
| ### д) Ультрарелятивистский предел $\beta\to1$ | |||
| Рассмотрим поперечные составляющие преобразованных полей: | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'_{\perp}=\gamma\left(\mathbf E_{\perp}-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]\right), | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'_{\perp}=\gamma\left(\mathbf B_{\perp}+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]\right). | |||
| $$ | |||
| Пусть | |||
| $$ | |||
| \mathbf n=\frac{\boldsymbol{\beta}}{\beta} | |||
| $$ | |||
| — единичный вектор вдоль направления движения. | |||
| При | |||
| $$ | |||
| \beta\to1 | |||
| $$ | |||
| можно в главных по $\gamma$ слагаемых положить $\boldsymbol{\beta}\to\mathbf n$. | |||
| Введём вектор | |||
| $$ | |||
| \mathbf A=\mathbf E_{\perp}-[\mathbf n\times\mathbf B_{\perp}]. | |||
| $$ | |||
| Тогда | |||
| $$ | |||
| \mathbf E'_{\perp}\sim\gamma\mathbf A. | |||
| $$ | |||
| Рассмотрим вектор | |||
| $$ | |||
| [\mathbf n\times\mathbf A]. | |||
| $$ | |||
| Имеем | |||
| $$ | |||
| [\mathbf n\times\mathbf A]=[\mathbf n\times\mathbf E_{\perp}]-[\mathbf n\times[\mathbf n\times\mathbf B_{\perp}]]. | |||
| $$ | |||
| Поскольку $\mathbf B_{\perp}\perp\mathbf n$, | |||
| $$ | |||
| [\mathbf n\times[\mathbf n\times\mathbf B_{\perp}]]=-\mathbf B_{\perp}. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| [\mathbf n\times\mathbf A]=\mathbf B_{\perp}+[\mathbf n\times\mathbf E_{\perp}]. | |||
| $$ | |||
| Но именно это выражение входит в главную часть преобразованного магнитного поля: | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'_{\perp}\sim\gamma[\mathbf n\times\mathbf A]. | |||
| $$ | |||
| Таким образом, | |||
| $$ | |||
| \mathbf B'_{\perp}\sim[\mathbf n\times\mathbf E'_{\perp}]. | |||
| $$ | |||
| Векторное произведение всегда перпендикулярно исходному вектору. Поэтому в ультрарелятивистском пределе | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E'\perp\mathbf B'}. | |||
| $$ | |||
| Можно проверить этот результат и с помощью инварианта электромагнитного поля. | |||
| При преобразованиях Лоренца сохраняется скалярное произведение | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E'\cdot\mathbf B'=\mathbf E\cdot\mathbf B}. | |||
| $$ | |||
| Правая часть остаётся конечной, тогда как в общем случае при $\beta\to1$ | |||
| $$ | |||
| E'\sim\gamma,\qquad B'\sim\gamma, | |||
| $$ | |||
| и поэтому | |||
| $$ | |||
| E'B'\sim\gamma^2\to\infty. | |||
| $$ | |||
| Если $\theta'$ — угол между $\mathbf E'$ и $\mathbf B'$, то | |||
| $$ | |||
| \cos\theta'=\frac{\mathbf E'\cdot\mathbf B'}{E'B'}. | |||
| $$ | |||
| Следовательно, | |||
| $$ | |||
| \cos\theta'\to0, | |||
| $$ | |||
| то есть | |||
| $$ | |||
| \boxed{\theta'\to\frac{\pi}{2}}. | |||
| $$ | |||
| Следует отметить, что это рассуждение относится к обычному невырожденному случаю, когда поперечные составляющие полей не сокращаются между собой. Именно этот случай подразумевается в формулировке задачи. | |||
| --- | |||
| #### Итог | |||
| Последовательные преобразования со скоростями $c\boldsymbol{\beta}$ и $-c\boldsymbol{\beta}$ взаимно обратны: | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E''=\mathbf E,\qquad \mathbf B''=\mathbf B}. | |||
| $$ | |||
| Для чисто магнитного поля: | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E'=-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B']}. | |||
| $$ | |||
| Для чисто электрического поля: | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf B'=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E']}. | |||
| $$ | |||
| При малых скоростях: | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf E'\approx-[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]}, | |||
| $$ | |||
| $$ | |||
| \boxed{\mathbf B'\approx[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]}. | |||
| $$ | |||
| В ультрарелятивистском пределе, в невырожденном случае, | |||
| $$ | |||
| \boxed{\beta\to1\quad\Longrightarrow\quad\mathbf E'\perp\mathbf B'}. | |||
| $$ | |||