Решение до правки #22196 от , автор Valter. Это не текущая версия.

Условие

14.3.28∗. Заряженный конденсатор, подвешенный на нити, казалось бы, не может вместе с нитью и подвесом двигаться поступательно, если угол не прямой, так как магнитная сила взаимодействия двух совместно движущихся зарядов создает вращательный момент. Этот вращательный момент можно было бы обнаружить экспериментально, если считать, что конденсатор вместе с Землей движется со скоростью . Так ли это?

Решение

Рассмотрим конденсатор в системе отсчёта, относительно которой он вместе с подвесом движется поступательно со скоростью

Пусть — электрическое поле одной пластины в точках расположения зарядов другой пластины.

При движении заряженного конденсатора возникает также магнитное поле, поэтому на заряды каждой пластины действует не только электрическая, но и магнитная сила Лоренца.

На первый взгляд результирующая сила оказывается направленной не по нормали к пластине, что как будто должно создавать вращающий момент. Покажем, что это не приводит к вращению конденсатора.

Обозначим через угол между нормалью к пластине и направлением движения конденсатора. Тогда электрическое поле можно разложить на составляющие, параллельную и перпендикулярную скорости:

Поскольку в собственной системе конденсатора магнитное поле отсутствует, в движущейся системе электрическое и магнитное поля связаны соотношением

Сила Лоренца, действующая на заряд пластины, равна

Подставим выражение для магнитного поля:

Используем тождество

Для составляющей поля, параллельной , магнитная сила отсутствует. Поэтому

Для поперечной составляющей

Следовательно,

Таким образом,

Подставляя компоненты электрического поля, получаем

Следовательно,

Таким образом, результирующая сила действительно не направлена по нормали к пластине.

Однако из этого нельзя делать вывод, что ускорение также направлено вдоль силы. В релятивистской механике сила определяется как

где

Для составляющих ускорения, параллельной и перпендикулярной скорости, справедливы соотношения

Отсюда

Рассмотрим отношение компонент ускорения:

Следовательно,

Подставляя найденное отношение компонент силы,

Но

Поэтому

Следовательно, вектор ускорения образует с направлением движения тот же угол , что и нормаль к пластине.

Иными словами,

пластине

Это можно увидеть и непосредственно. Из выражений для компонент силы имеем

а для поперечной составляющей

Поскольку

получаем

Таким образом,

Обе компоненты в точности соответствуют разложению вектора, направленного по нормали к пластине.

Для противоположной пластины ускорение имеет такой же модуль и противоположное направление. Следовательно, электромагнитное взаимодействие вызывает только взаимное притяжение пластин по нормали и не создаёт их относительного поворота.

Если использовать угол , указанный на рисунке между пластиной и направлением движения, то

поэтому

Тогда

что снова показывает, что ускорение направлено перпендикулярно пластине.

Следовательно, несмотря на то что результирующая электромагнитная сила в движущейся системе не направлена по нормали к пластинам, релятивистское соотношение между силой и ускорением обеспечивает именно нормальное ускорение пластин.

Поэтому никакого вращения конденсатора не возникает.

Кроме того, это согласуется с принципом относительности: равномерное поступательное движение конденсатора вместе с Землёй не может быть обнаружено с помощью внутреннего механического эксперимента.

Ответ

Результирующая электромагнитная сила в движущейся системе действительно отклонена от нормали к пластине, однако в релятивистской механике сила и ускорение не обязаны быть параллельны.

Из соотношений

следует, что компоненты ускорения имеют именно такое соотношение, при котором вектор ускорения оказывается направленным по нормали к пластине.

Следовательно,

конденсаторневращается

Примечание: в официальном ответе угол фактически используется как угол между направлением движения и нормалью к пластине, тогда как на рисунке он изображён как угол между направлением движения и самой пластиной. Поэтому при буквальном следовании рисунку синусы и косинусы в формулах для , , и следует поменять местами. Кроме того, коэффициент перед компонентами ускорения должен иметь вид

Эти уточнения не изменяют физического вывода: ускорение направлено перпендикулярно пластине, и вращения конденсатора не возникает.