Релятивистская природа магнитного поля.

Релятивистская природа магнитного поля.

Магнитная сила имеет ту же природу, что и электрическая. Она является следствием релятивистских эффектов, возникающих при движении заряженных частиц.

Магнитное поле создают не магнитные заряды, а движущиеся электрические заряды или токи. Магнитные силы имеют одну природу с электрическими. В одной инерциальной системе отсчета наблюдатель измеряет магнитную силу (с помощью магнитной стрелки), а в другой она превращается в электрическую силу (которую надо измерять другим прибором).Таким образом, магнитное поле для одного наблюдателя является электрическим для другого. Поэтому электрическое и магнитное поля взаимосвязаны и образуют одно целое электромагнитное поле.

Переносчиками электрического и магнитного полей являются одни и те же виртуальные частицы.

Более подробно:

Взаимодействие точечных неподвижных зарядов полностью описывается законом Кулона. Однако закона Кулона недостаточно для анализа взаимодействия движущихся зарядов. Такой вывод следует не из конкретных особенностей кулоновского взаимодействия, а обусловливается релятивистскими свойствами пространства и времени, релятивистскими уравнениями движения.

      Релятивистское уравнение движения имеет одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчёта:

,

(7.6.1)

     Причём из формул релятивистского преобразования сил следует неизбежная зависимость силы от скорости в релятивистской теории.

      Существование магнитной и электрической сил можно выявить из следующего примера взаимодействия зарядов.

      Имеем штрихованную систему отсчёта  , движущуюся со скоростью   относительно неподвижной системы отсчёта K. Причём   движется в направлении увеличения x (рис. 7.4).

Рис. 7.4

      Заряд q неподвижен в системе  ,   – движется в K со скоростью U, а в   со скоростью U'.

      Рассмотрим взаимодействие этих двух зарядов в системе K и  . Для этого нам необходимо знать закон преобразования сил при переходе от одной инерциальной системы отчёта к другой и влияние перехода на величину заряда. Однако, мы уже отмечали, что величина заряда не зависит от выбора системы отсчёта. Если бы это было не так, то многоэлектронный атом, в котором электроны движутся с разными скоростями, не был бы электрически нейтральным.

   В системе  : q – неподвижен,   – движется. Сила, с которой q действует на   будет чисто кулоновская. и  определяется электростатическим полем, которое создаёт заряд q. Тогда

      ,

     В системе K для определения силы действия на заряд q надо применить формулы преобразования сил при переходе из одной системы отсчёта в другую,

     В результате  стандартных, но достаточно сложных преобразований СТО появится второе слагаемое, где В - индукция магнитного поля, а    – заряд, который движется в K со скоростью U

  

      Таким образом, магнитное поле вводится исходя из условий независимости от выбора системы отсчета заряда и релятивистского закона преобразования сил.

      Специальная теория относительности (СТО) вскрывает физическую природу магнетизма, как релятивистский эффект.

      Рассмотренное  поле заряда q может быть и чисто электрическим, и одновременно электрическим и магнитным, в зависимости от того, в какой системе отсчёта мы его наблюдаем.

      Это обстоятельно подчеркивает единство электромагнитного поля, а преобразования кулоновских сил при переходе из одной системы в другую показывают, что основным законом электричества и магнетизма является закон Кулона. Все остальные законы магнитостатики могут быть получены из закона Кулона, инвариантности заряда и релятивистского закона преобразования сил (полей).