7. Инвариантность электрического заряда

Величина заряда, измеряемая в различных инерциальных системах отсчета, оказывается одинаковой. Следовательно, электрический заряд является релятивистски инвариантным. Отсюда вытекает, что величина заряда не зависит от того, что движется этот заряд или покоится.

Магнитное поле как релятивистский эффект.

Основываясь на постулатах теории относительности и на инвариантности электрического заряда, можно показать, что магнитное взаимодействие зарядов и токов является следствием закона Кулона.

Покажем это на примере заряда, движущегося параллельно бесконечному прямому току.

Рис. 23.11

Рис. 23.13

Пусть имеются в системе отсчета две практически совмещенные друг с другом бесконечные цепочки, образованные зарядами одинаковой величины, но разных знаков, движущимися в противоположные стороны с одинаковой скоростью (рис. 23.13)

Пусть заряд , с которым система , движется со скоростью .

В

Рис. 23.14

системе (относительно заряда ) отрицательные заряды движутся с большей скоростью, чем положительные. Следовательно, за счет лоренцева сокращения (см. часть 1. Механика) отрицательные заряды будут расположены гуще, а положительные - реже. Отсюда наша цепочка оказывается, заряжена отрицательно. Плотность отрицательных зарядов больше (рис. 23.14). Избыточный заряд создает электрическое поле , которое действует на положительный заряд с силой , направленной к цепочке. Эта сила называется магнитной (она же при другом подходе – сила Лоренца , см. п. 1)

Другой пример. Имеется плоский конденсатор с поверхностной плоскостью заряда и напряженностью поля (рис. 23.15а).

П ри движении конденсатора относительно т. О системы вдоль оси со скоростью размер пластины конденсатора вдоль уменьшится согласно . Плотность зарядов увеличится , соответственно увеличится напряженность поля конденсатора ,

,

т о есть поле, перпендикулярное направлению движения увеличивается ( )

З

Рис. 23.15а

Рис. 23.15б

аметим, что при движении конденсатора так, что поле параллельно скорости, размеры пластин не изменяются и поле остается постоянным (рис. 23.15б)

Вихревое поле движущегося заряда

Рис. 23.16

Соответствующие расчеты показывают, что поле движущегося заряда в направлении, перпендикулярном к скорости, оказывается заметно сильнее, чем в направлении движения, на одном и том же расстоянии от заряда. Поле как бы «сплющивается» в направлении движения (рис. 23.16). Циркуляция напряженности поле заряда . Поле движущегося заряда – вихревое.

Относительность магнитных и электрических полей

Представим себе неподвижный заряд и на некотором расстоянии от него два столика на тележках. На обоих столиках имеются приборы, которые могут фиксировать наличие электрического и магнитного полей (рис. 23.17). Пусть первый столик движется, а второй покоится, тогда приборы на первом зафиксируют наличие и электрического и магнитного полей, на втором же только электрическое.

	С точки зрения физики не имеет значение, покоится заряд и движется тележка, либо наоборот. Полученные результаты означают, электрическое и магнитное поле неразрывно связаны друг с другом. В зависимости от выбора системы отсчета поле может оказаться чисто электрическим, или электромагнитным.
Рис. 23.17

Заметим, что в случае проводника с током из-за практически идеального баланса числа электронов и протонов в проводниках обнаруживается практически чисто магнитное поле.

Подчеркнем еще раз единую природу электрического и магнитного полей. Об электрическом и магнитном полях в отдельности можно говорить лишь с обязательным указанием системы отсчета, в которой эти поля рассматриваются.

Вопросы для самоконтроля.

1. Запишите закон Ампера в векторной форме.

2. Подчиняется ли третьему закону Ньютона взаимодействие элементов тока?

3. В чем сходство и различие между электростатическим взаимодействием двух точечных зарядов и магнитным взаимодействием двух элементов тока?

4. В электростатике связь между полем и его источником устанавливается с помощью теоремы Гаусса. Как выражается связь магнитного поля с его источником?

5. Укажите на характерные отличия магнитного поля от электрического?

6. Как вводится единица силы тока в системе СИ?

7. При каком условии вокруг электрического заряда возникает и существует магнитное поле?

8. Что такое магнитный момент?

9. В чем состоит относительность электрического и магнитного полей?

60