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En el capítulo anterior descubrimos que los campos eléctrico y magnético siempre deben considerarse juntos como un campo electromagnético completo. División campo electromagnético entre eléctrico y magnético es de naturaleza relativa: tal división depende en gran medida del marco de referencia en el que se consideran los fenómenos. En este caso, el campo, constante en un sistema de referencia, en caso general resulta ser variable en otro sistema. Veamos algunos ejemplos.

La carga se mueve en el sistema de referencia K inercial con velocidad constante v. En este marco de referencia, observaremos los campos eléctrico y magnético de una carga determinada, y ambos campos son variables en el tiempo. Si pasamos a un sistema K¢ inercial que se mueve con la carga, entonces la carga está en reposo en él y solo observaremos el campo eléctrico.

Dos cargas idénticas se mueven en el marco de referencia K una hacia la otra a la misma velocidad v. En este marco de referencia observaremos campos eléctricos y magnéticos, ambos variables. Encuentre un sistema K¢ donde solo se observaría uno de los campos, en en este caso está prohibido.

En el sistema K hay un campo magnético constante no uniforme (por ejemplo, el campo de un imán permanente estacionario). Luego, en el sistema K¢ que se mueve con respecto al sistema K, observaremos campos magnéticos y eléctricos alternos.

Por lo tanto, queda claro que la relación entre campo eléctrico y el campo magnético resulta ser diferente en varios sistemas cuenta atrás. Al pasar de un sistema de referencia a otro, los campos y se transforman de cierta manera. Las leyes de esta transformación están establecidas en la teoría especial de la relatividad y de una manera bastante compleja. Por esta razón, no reproduciremos aquí los hallazgos relevantes.

Dado que los vectores y la caracterización del campo electromagnético dependen del sistema de referencia, surge naturalmente una pregunta sobre las invariantes, es decir, características cuantitativas del campo electromagnético independientes del sistema de referencia (el invariante se denota por inv; véase, por ejemplo, (43.1)).

Se puede demostrar que existen dos invariantes de este tipo, que son combinaciones de vectores y , esto es

inv; mi 2 - do 2 B 2 = inv, (43.1)

Dónde Con– velocidad de la luz en el vacío.

La invariancia de estas cantidades (con respecto a las transformaciones de Lorentz) es consecuencia de las fórmulas de transformación de campo al pasar de un sistema de referencia inercial a otro.

El uso de estas invariantes permite en algunos casos encontrar rápida y fácilmente una solución y sacar conclusiones y predicciones apropiadas. Aquí están los más importantes de ellos:



De la invariancia producto escalar de ello se deduce inmediatamente que en el caso de que en cualquier sistema de referencia ^, es decir, = 0, entonces en todos los demás sistemas de referencia inerciales ^ ;

De la invariancia de E 2 - do 2 B 2 se deduce que en el caso en que E = do B (es decir, cuando E 2 - do 2 B 2 = 0), entonces en cualquier otro sistema de referencia inercial E¢ = do B¢;

Si en cualquier sistema de referencia el ángulo entre los vectores y es agudo (u obtuso), esto significa que es mayor (o menor) que cero, entonces el ángulo entre los vectores y también será agudo (u obtuso) en cualquier otro sistema de referencia;

Si en cualquier sistema de referencia E > do Aburrir< do B) – esto significa que E 2 - do 2 B 2 > 0 (o E 2 - do 2 B 2< 0), то и в любой другой системе отсчета будет также E¢ > do B¢ (o E¢< do B¢);

Si ambas invariantes son iguales a cero, entonces en todos los sistemas de referencia inerciales ^ y E = do B, esto es exactamente lo que se observa en una onda electromagnética;

Si sólo el invariante es igual a cero, entonces se puede encontrar un sistema de referencia en el que E¢ = 0 o B¢ = 0; cuál está determinado por el signo del otro invariante. La afirmación inversa también es cierta: si en cualquier sistema de referencia E = 0 o B = 0, entonces en cualquier otro sistema de referencia ^.

Y una última cosa. Hay que recordar que los campos y, en general, dependen tanto de las coordenadas como del tiempo. Por tanto, cada una de las invariantes (43.1) se refiere al mismo punto espacio-temporal del campo, cuyas coordenadas y tiempo en diferentes sistemas las referencias están conectadas por transformaciones de Lorentz.

Sólo el principio de relatividad de Einstein es aplicable al campo electromagnético, ya que el hecho de que las ondas electromagnéticas se propaguen en el vacío en todos los sistemas de referencia con la misma velocidad Con no es compatible con el principio de relatividad de Galileo.



Según el principio de relatividad de Einstein, las mecánicas, ópticas y fenómenos electromagnéticos en todos los sistemas de referencia inerciales proceden de la misma manera, es decir, se describen mediante las mismas ecuaciones. Las ecuaciones de Maxwell son invariantes bajo las transformaciones de Lorentz: su forma no cambia al pasar de un sistema de referencia inercial a otro, aunque las cantidades en ellas se transforman de acuerdo con ciertas reglas.

Del principio de relatividad se desprende que la consideración separada de los campos eléctricos y magnéticos tiene un significado relativo. Entonces, si un campo eléctrico es creado por un sistema de cargas estacionarias, entonces estas cargas, al ser estacionarias con respecto a un sistema de referencia inercial, se mueven con respecto a otro y, por lo tanto, generarán no solo un campo eléctrico, sino también magnético. De manera similar, un conductor estacionario con respecto a un sistema de referencia inercial con corriente continua, excitando un campo magnético constante en cada punto del espacio, se mueve en relación con otros sistemas inerciales, y el campo magnético alterno que crea excita un campo eléctrico de vórtice.

Así, la teoría de Maxwell, su confirmación experimental, así como el principio de relatividad de Einstein conducen a una teoría unificada de los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos, basada en el concepto de campo electromagnético.

Leyes de transformación y relatividad.

Un campo electromagnético se diferencia de cualquier sistema de partículas en que es sistema fisico s infinitamente un gran número grados de libertad. Esta propiedad está asociada a un determinado estado del campo. De hecho, en la región de existencia del campo, los valores de los componentes independientes constituyen un número infinito de cantidades, ya que cualquier región del espacio contiene infinitamente gran número agujas.

Los campos eléctricos y magnéticos son manifestaciones diferentes de un mismo campo electromagnético, que también obedece al principio de superposición. La división del campo electromagnético en campo eléctrico y campo magnético es de naturaleza relativa, ya que depende de la elección del sistema de referencia.

Por ejemplo, una carga se mueve en un sistema de referencia inercial S con una velocidad constante v o cuando cargas idénticas se acercan entre sí con una velocidad constante v. En este marco de referencia se observan tanto los campos eléctricos como magnéticos de esta carga, pero cambiando con el tiempo. Al pasar a otro sistema de referencia inercial S *, moviéndose con la carga, solo se observa un campo eléctrico, ya que la carga está en reposo en él. Si en el marco de referencia S hay un campo magnético constante y no homogéneo (por ejemplo, un imán de herradura), entonces en el marco S * que se mueve con respecto al marco S, se observan campos eléctricos y magnéticos alternos.

Las relaciones entre los campos eléctricos y magnéticos no son las mismas en diferentes sistemas de referencia.

Los experimentos muestran que la carga de cualquier partícula es invariante, es decir, no depende de la velocidad de la partícula ni de la elección del sistema de referencia inercial. teorema de gauss

es válido no sólo para cargas en reposo, sino también para cargas en movimiento, es decir, es invariante con respecto a sistemas de referencia inerciales.

Al pasar de un sistema de referencia inercial a otro, los campos eléctrico y magnético se transforman. Sean dos sistemas de referencia inercial: S y un sistema que se mueve con respecto a él, con una velocidad S *. Si en algún punto espacio-temporal A del sistema S se conocen los valores de los campos y, ¿cuáles serán los valores de estos campos * y * en el mismo punto espacio-temporal A del sistema S *? El punto espaciotemporal A es un punto cuyas coordenadas y tiempo en ambos sistemas de referencia están interconectados por transformaciones de Lorentz, es decir

Las leyes de transformación de estos campos según la teoría especial de la relatividad se expresan mediante las siguientes cuatro fórmulas:

Símbolos || y ^ están marcadas las componentes longitudinal y transversal (con respecto al vector) de los campos eléctrico y magnético; c es la velocidad de la luz en el vacío;


De las ecuaciones se desprende claramente que cada uno de los vectores * y * se expresa de principio a fin, lo que indica la naturaleza unificada de los campos eléctrico y magnético.

Por ejemplo, el módulo de fuerza del vector E de una carga relativista que se mueve libremente se describe mediante la fórmula

donde a es el ángulo entre el vector radio y el vector velocidad.

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Relatividad de los campos eléctricos y magnéticos.

2014-05-25

Maxwell tradujo todo al lenguaje de las ecuaciones. hechos conocidos y disposiciones relativas a los fenómenos eléctricos y magnéticos. Este sistema de ecuaciones para campos eléctricos y magnéticos se denomina hoy “ecuaciones de Maxwell”. Describamos estas ecuaciones verbalmente, poniéndolas en una tabla.

1. Los campos eléctricos y magnéticos se transforman entre sí al pasar de un sistema inercial a otro. Podemos decir que la división del campo en eléctrico y magnético es bastante relativa y depende del sistema de referencia.

2. La elección de un sistema de referencia es un acto subjetivo del que depende la existencia misma del campo.

El campo electromagnético es esa realidad objetiva que existe independientemente de si realizamos el experimento y en qué marco de referencia o si no se realiza en absoluto. Por tanto, el campo electromagnético no puede considerarse como un “conjunto” de campos eléctricos y magnéticos. Los campos eléctricos y magnéticos son una manifestación de un todo único (campo electromagnético) en diferentes condiciones.




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