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.
Составляющие электрического и магнитного полей, параллельные и перпендикулярные направлению $\boldsymbol{\beta}$, обозначим соответственно индексами $\parallel$ и $\perp$.
Таким образом, два последовательных преобразования со скоростями $c\boldsymbol{\beta}$ и $-c\boldsymbol{\beta}$ действительно возвращают исходные электрическое и магнитное поля.
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:
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 $\sigma'=\sigma$.
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:
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
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: