قوانین الکترومغناطیس کلاسیک که در قرن نوزدهم ایجاد شد ، همان قوانینی است که امروزه دانشمندان از آن استفاده می کنند. آنها شامل چهار معادله ماکسول به همراه قانون لورنتس است که نیروی وارد شده توسط میدان های الکتریکی و مغناطیسی بر ذرات باردار را توصیف می کند. اما مسعود منصوری پور ، استاد علوم نوری در دانشگاه آریزونا در توسان ، اکنون استدلال می کند که قانون زورگویی لورنتس با نسبیت خاص و حفاظت از حرکت سازگار نیست و باید کنار گذاشته شود. در شماره اخیر Physical Review Letters ، وی پیشنهاد کرده است که قانون لورنتس را با بیان کلی تر چگالی نیروی الکترومغناطیسی جایگزین کندپارادوکس آهنربا شارژ
اساس استدلال منصوری پور این است که قانون لورنتس با تولید نتایج مختلف در چارچوب های مختلف مرجع ، نسبیت خاص را نقض می کند. طبق نسبیت خاص ، قوانین فیزیک - از جمله مغناطیس مغناطیسی - باید در همه فریم های مرجع غیر شتاب دهنده یکسان باشد.
نیروی لورنتس
.
برهم نهی میدان دایره ای سیم و میدان همگن آهنربا در نظر گرفته شده است (مطمئناً در اینجا همگنی مهم نیست). سپس میدان خالص همانطور که در تصویر بالا در سمت راست مشاهده می کنید در یک طرف سیم بزرگتر است (در اینجا در سمت راست) و در سمت دیگر کوچک تر است. تا کنون خیلی خوب.
اما چرا این امر وقوع و جهت گیری نیروی لورنتس را توضیح می دهد. این کار را انجام دهید ، فرد به اصل دیگری احتیاج دارد به عنوان مثال سیم همیشه می خواهد به مناطق ضعیف تر یا مواردی از این قبیل برود. و این اصل باید به نوعی مشهودتر از خود نیروی لورنتس باشد (که می توانید آن را به صورت آزمایشی "ببینید").
اما چگونه این اصل مورد نیاز دقیقاً فروم بندی می شود؟ چرا درست است؟ به نظر من آیا دلیل موجهی وجود دارد که بارزتر از صرف در نظر گرفتن نیروی لورنتس به عنوان یک واقعیت تجربی باشد؟
بسیار خوب است اگر کسی بتواند منطق این موضوع را روشن کند ، صحت استدلال را ارزیابی کند و آن را به صورت مفهومی و ریاضی در تصویر بزرگ نظریه الکترومغناطیسی جاسازی کند.
بعلاوه ، من می خواهم بدانم که "توضیحات" ذکر شده نام مشترکی دارد و آیا کتابهای درسی در سطح دانشگاه وجود دارد که به روشی مشابه پیش می روند. من احساس می کنم که این بحث به مایکل فارادی برمی گردد (فقط با سبک استدلال) - بنابراین اگر کسی به اصل استدلال اشاره کند ، من نیز به آن علاقه مند خواهم شد.
انرژی در واحد حجم همان واحدهای فیزیکی فشار را دارد و در بسیاری از شرایط یک مترادف است: به عنوان مثال ، چگالی انرژی یک میدان مغناطیسی ممکن است به صورت فشار فیزیکی بیان شود (و رفتار می کند.در سمت راست سیم ، میدان های مغناطیسی اضافه می شوند در حالی که به سمت چپ ، آنها کم می شوند. بنابراین ، چگالی انرژی مغناطیسی در سمت راست بیشتر از چپ است.
"فشار و کشش مغناطیسی"
نیروی مغناطیسی (در واحد حجم) در معادله حرکت سیال ممکن است دوباره به صورت زیر بیان شود
$\mathbf J \times \mathbf B = \frac{1}{\mu_0}(\nabla \times \mathbf
B) \times \mathbf B = -\nabla \frac{B^2}{2\mu_0} +
\frac{1}{\mu_0}(\mathbf B \cdot \nabla)\mathbf B$
$\frac{B^2}{2\mu_0}$ فشار مغناطیسی است و اصطلاح$-\nabla \frac{B^2}{2\mu_0}$ گرادیان فشار مغناطیسی یا نیروی فشار مغناطیسی است.
اصطلاح $\frac{1}{\mu_0}(\mathbf B \cdot \nabla)\mathbf B$ دارای مولفهای است که نیروی فشار مغناطیسی را در جهت موازی خطوط میدان مغناطیسی لغو می کند بنابراین نیروی فشار مغناطیسی عمود بر خطوط میدان عمل می کند. جز component باقیمانده نیروی کشش مغناطیسی است.
سوال دیگر من آیا توضیحی وجود دارد که چرا نیروی لورنتس عمود بر سرعت یک ذره و میدان مغناطیسی است؟
نیروی لورنتس بر روی یک ذره باردار عمود بر سرعت ذره و میدان مغناطیسی است که از آن عبور می کند. این از معادله مشخص است:
$\mathbf{F} = q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$
آیا توضیحی برای این رفتار وجود دارد؟ هر توضیحی که من دیده ام به راحتی معادله را نشان می دهد و آن را به حال خود رها می کند.
من می توانم از نظر ریاضی بپذیرم که چرا F عمود بر v و B خواهد بود (البته با فرض درست بودن معادله) اما این به من كمك نمی كند آنچه اساساً در جریان است را ترسیم كنم.
من امیدوارم راهی برای تجسم دلیل این رفتار بدون درک عمیق نظریه پیشرفته وجود داشته باشد. متأسفانه ، جستجوی من برای توضیح به نظر می رسد باید ایم مساله را همینطور قبول کنم
اولین چیزی که می توانیم امتحان کنیم این است$\textbf{F}=q\textbf{B} \qquad (roham)$
خوب ، این کار نمی کند ، زیرا چنین نیرویی دقیقاً مانند نیروی الکتریکی رفتار می کند و بنابراین یک نیروی الکتریکی است ، نه یک پدیده جداگانه. نیروهای مغناطیسی قرار است فعل و انفعالات بارهای متحرک با بارهای متحرک باشند ، بنابراین واضح است که باید v را در سمت راست قرار دهیم. یک روش برای انجام این کار قانون استاندارد لورنتس است ، اما ما به دنبال گزینه دیگری هستیم که در جهت میدان باشد. بنابراین می توانیم این را بنویسیم:$\textbf{F}=q\textbf{B}|\textbf{v}| \qquad (roham)$
به عنوان نمونه ای از آنچه در این مورد اشتباه است ، فرض کنید بارهای یکسان q با هم متصل شده اند. اگر آنها در حالت تعادل در حالت استراحت نشسته باشند ، معادله (roham) می گوید هیچ نیروی مغناطیسی روی آنها وجود ندارد. اما فرض کنید ما فقط کمی لرزاندن آنها را شروع می کنیم. اکنون آنها قصد دارند تیراندازی را در جهت میدان مغناطیسی آغاز کنند. این امر موجب بقا در انرژی و مومنتوم می شود.اساساً ، این به یک مسئله جبری برمی گردد. محصول متقاطع بردار دارای خاصیت توزیعی$(\textbf{v}_1+\textbf{v}_2)\times\textbf{B}=\textbf{v}_1\times\textbf{B}+\textbf{v}_2\times\textbf{B}$ است .
بیایید با یک شکل (در زیر) شروع کنیم ، که نشان دهنده نیروی لورنتس است که به عنوان یک تعامل بین خطوط مغناطیسی خیالی تجسم یافته است.
نیروی لورنتس به عنوان برهم کنشی بین خطوط مغناطیسی تجسم یافته است
تصور کنید که یک آهنربای عمودی دارد ، قسمت جنوبی به سمت چپ و قسمت شمالی به سمت راست. خطوط مغناطیسی از راست به چپ می روند (N-> S)
حال تصور کنید یک بار مثبت به صورت عمودی از طریق خطوط مغناطیسی حرکت می کند. با قانون دست راست یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کند. خطوط این قسمت به صورت افقی و خلاف جهت عقربه های ساعت است.
به یاد داشته باشید که خطوط مغناطیسی موازی که در یک جهت حرکت می کنند ، به طور معمول نتیجه یک نیروی دافعه است. خطوط مغناطیسی موازی نیرو که در جهت مخالف حرکت می کنند ، معمولاً نتیجه یک نیروی جاذبه است.
اگر به آهن ربا و بار متحرک به صورت عمودی نگاه می کنید ، در عقب (سمت دور) خطوط مغناطیسی (خارجی و بار تولید شده) در یک جهت قرار دارند ، که به طور معمول توسط یک نیروی جلو تولید می شود. در جلو (نزدیک طرف) خطوط مغناطیسی در جهت مخالف قرار دارند ، که به طور معمول توسط یک نیروی اضافی به جلو تولید می شود.
در نتیجه ، ذره با پیکان تاریک نشان داده شده در شکل ، از طرف دور به سمت نزدیک نیرویی را تجربه می کند.
سرانجام ، اگر نیرو در یک جهت با سرعت یک جز component داشته باشد ، نیرو باعث افزایش مداوم سرعت می شود. این باعث ایجاد انرژی جنبشی برای همیشه می شود ، زیرا آهنرباها نیازی به بارگیری ندارند. اگر این نیرو در خلاف سرعت ، جزئی داشته باشد ، بارها متوقف می شوند و در داخل میدان مغناطیسی جریان الکتریکی احتمالی وجود ندارد.
