Wenn Sie mit der speziellen Relativitätstheorie nicht gut vertraut sind, gibt es keine Möglichkeit, dieses Phänomen wirklich zu erklären . Das Beste, was Sie tun können, ist, Ihnen Regeln zu geben, die von esoterischen Ideen wie "elektromagnetisches Feld" und "Lorentz-Invarianz" durchdrungen sind. Natürlich ist dies nicht das, wonach Sie suchen, und das zu Recht, denn in der Physik sollte es niemals darum gehen, Regeln zu akzeptieren, die ohne Begründung von oben überliefert wurden.

Tatsache ist, Magnetismus ist nichts anderes als Elektrostatik kombiniert mit spezieller Relativitätstheorie . Leider werden Sie nicht viele Bücher finden, die dies erklären - entweder glauben die Autoren fälschlicherweise, dass Maxwells Gleichungen keine Rechtfertigung haben und im Glauben akzeptiert werden müssen, oder sie sind zu sehr in ihrer eigenen esoterischen Notation verstrickt, um innezuhalten, um zu überlegen, was sie sagen. Das einzige Buch, von dem ich weiß, dass es das Thema richtig behandelt, ist Purcells Elektrizität und Magnetismus , das kürzlich in einer dritten Ausgabe erneut veröffentlicht wurde. (Die zweite Ausgabe funktioniert einwandfrei, wenn Sie eine Kopie finden.)

Eine kurze, heuristische Gliederung der Idee lautet wie folgt. Angenommen, es gibt eine Linie positiver Ladungen, die sich entlang der $ z $ -Achse in die positive Richtung bewegen - einen Strom. Stellen Sie sich eine positive Ladung $ q $ vor, die sich bei $ (x, y, z) = (1,0,0) $ befindet und sich in der negativen $ z $ -Richtung bewegt. Wir können sehen, dass aufgrund all dieser Ladungen eine gewisse elektrostatische Kraft auf $ q $ ausgeübt wird.

Aber versuchen wir etwas Verrücktes - lassen Sie uns in den Bezugsrahmen von $ q $ schlüpfen. Schließlich sollten die Gesetze der Physik für alle Gesichtspunkte gelten. Es ist klar, dass sich die Ladungen, aus denen der Strom besteht, in diesem Rahmen schneller bewegen werden. Aber das macht nicht viel, denn schließlich kümmert sich die Coulomb-Truppe eindeutig nicht um die Geschwindigkeit der Ladungen, sondern nur um ihre Trennung. Aber die spezielle Relativitätstheorie sagt uns etwas anderes. Es heißt, dass die aktuellen Gebühren näher beieinander liegen werden. Wenn sie im ursprünglichen Frame durch Intervalle $ \ Delta z $ voneinander beabstandet waren, haben sie in diesem neuen Frame einen Abstand $ \ Delta z \ sqrt {1-v ^ 2 / c ^ 2} $, wobei $ v $ ist die Geschwindigkeit von $ q $ im Originalrahmen. Dies ist die berühmte Längenkontraktion, die durch spezielle Relativitätstheorie vorhergesagt wird.

Wenn die aktuellen Ladungen näher beieinander liegen, fühlt sich $ q $ eindeutig elektrostatisch an Kraft aus der $ z $ -Achse als Ganzes. Es wird eine zusätzliche Kraft in der positiven $ x $ -Richtung von der Achse weg erfahren, die über das hinausgeht, was wir vorhergesagt hätten, wenn wir nur im Laborrahmen gesessen hätten. Grundsätzlich ist das Coulombsche Gesetz das einzige Kraftgesetz, das auf eine Ladung wirkt, aber nur der Restrahmen der Ladung gilt für die Verwendung dieses Gesetzes, um zu bestimmen, welche Kraft die Ladung empfindet.

Anstatt Wir wandeln uns ständig zwischen Frames hin und her und erfinden das Magnetfeld als mathematisches Gerät, das dasselbe erreicht. Wenn es richtig definiert ist, wird es diese anomale Kraft, die scheinbar von der Ladung erfahren wird, vollständig erklären, wenn wir sie nicht in ihrem eigenen Ruhezustand beobachten. In dem Beispiel, das ich gerade durchlaufen habe, sagt Ihnen die rechte Regel, dass wir dem Strom, der um die $ z $ -Achse kreist, ein Magnetfeld zuschreiben sollten, so dass er in die positive $ y $ -Richtung auf die Position von $ zeigt q $. Die Geschwindigkeit der Ladung ist in der negativen $ z $ -Richtung, und so zeigt $ q \ vec {v} \ times \ vec {B} $ in die positive $ x $ -Richtung, genau wie wir aus dem Ändern von Referenzrahmen gelernt haben .

Elektrische und magnetische Felder sind das Aussehen des elektromagnetischen Feldes ' ' aus einem bestimmten (Trägheits-) Referenzrahmen.

Nehmen Sie eine Ladung Teilchen: In seinem Ruhezustand scheint es nur ein elektrisches Feld und überhaupt kein magnetisches Feld zu erzeugen. Aus einem anderen Bezugsrahmen (insbesondere einem in Bezug auf die Relativbewegung) sehen wir, wie sich die Ladung bewegt, also ein Strom, der ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt.

Dies bedeutet nicht, dass das Teilchen eingesetzt wird Die Bewegung hat irgendwie einen Schalter innerhalb des Partikels umgelegt - vielmehr ist es ein Artefakt unserer Wahl des Referenzrahmens: Beobachter in Relativbewegung messen unterschiedliche Stärken elektrischer und magnetischer Felder auf dieselbe Weise, wie sie unterschiedliche Geschwindigkeiten und Impulse messen.

Nehmen wir ein Feld ungleich Null mit $ P, Q = 0 $, dh $ \ mathbf E ^ 2 = \ mathbf B ^ 2 $ und $ \ mathbf E \ perp \ mathbf B \ ;. $ Ein Beispiel wäre eine ebene elektromagnetische Welle, die für alle wie eine ebene Welle aussieht.

Nun sei $ P. \ not = 0 $ aber $ Q = 0 \ ;. $ Dann können wir fra finden Referenznummern, bei denen entweder das elektrische (im Fall von $ P>0 $) oder das magnetische Feld (im Fall von $ P<0 $) verschwindet. Der Rest unseres geladenen Teilchens wäre ein solcher.

Für weitere Details müssen Sie in der Literatur zur speziellen Relativitätstheorie nachsehen.

Obwohl Chris Whites Antwort auf die Frage "Warum bewegliche Ladungen ein Magnetfeld erzeugen?" Gepostet von einem High School Lehrer (Claws) im letzten Jahr, wurde als beste Antwort ausgewählt, ich denke, es enthält mehrere Fallstricke. Chris White stellt sich einen Strom positiver Ladungen vor, der in Richtung der Achse $ + z $ fließt, während sich eine Testladung $ + q $, die sich ursprünglich bei $ (1,0,0) $ befindet, in die entgegengesetzte Richtung $ (- z) $ bewegt mit Geschwindigkeit $ v $. Als nächstes will er beweisen, dass der Beobachter, wenn er sich im Rahmen der sich bewegenden Testladung befindet, zusätzlich zu der regulären elektrostatischen Coulomb-Kraft (Abstoßungskraft), die auf die Testladung wirkt, eine zusätzliche Abstoßung im $ + x $ sieht Richtung, deren Ursprung völlig relativistisch ist. Dies geschieht, sagt er, weil die ursprüngliche Trennung $ Δz_0 $ zwischen den Ladungen (vom Lab-Ruhebild aus gesehen) jetzt auf $ Δz = Δz_0 \ sqrt {(1-v ^ 2 / c ^ 2)} $ ( Die "berühmte" Lorentz-Kontraktion).

Folglich werden alle Abstände der fließenden Ladungen zur Testladung kleiner (als ob die Ladungsdichte zunehmen würde) und daher nehmen auch die Coulomb-Abstoßungen zu. Dieser Überschuss an Abstoßung ist die „illusorische“ Magnetkraft, die der Laborbeobachter sieht, wenn sich die Testladung mit der Geschwindigkeit $ v $ in Richtung $ –z $ bewegt.

Kurz gesagt: Es gibt keine intrinsische Magnetkraft . Alles ist die Coulomb-Kraft, gesehen vom Lab-Rahmen (reine elektrostatische Kraft) oder gesehen vom beweglichen Ladungsrahmen (elektrostatisch plus mehr Coulomb-Abstoßung). Wir können hier alle quantitativen Details umgehen, die Weiß ebenfalls auslässt, aber wir können die Fallstricke nicht übersehen :

1. Zunächst gibt es einen verbalen Widerspruch: Um das kontrahierte $ Δz $ zu bemerken, das kleiner als $ Δz_0 $ ist, muss sich der Beobachter mit der Ladung $ q $ in Ruhe befinden (d. H. Sich mit der Ladung bewegen). Aber am Ende sagt White, dass die neue „anomale Kraft, die scheinbar von der Ladung erfahren wird“ (d. H. Das definierte Magnetfeld), auftritt, „wenn wir sie nicht in ihrem eigenen Ruhezustand beobachten“ (Hervorhebung von mir). Also, was ist der Deal? Um die zusätzliche Coulomb-Kraft (magnetisch) vorherzusagen, müssen wir den Rahmen der sich bewegenden Ladung übernehmen. Aber um es zu beobachten, müssen wir im Lab-Rahmen bleiben, der NICHT der sich bewegende Ladungsrahmen ist.
2. In der gleichen Weise gibt es eine numerische Falle: die neue (kontrahierte) Ladungstrennung Δz, die vom Rahmen beobachtet wird der sich bewegenden Ladung wird berechnet als $ Δz = Δz_0 \ sqrt {(1-v ^ 2 / c ^ 2)} $ wobei $ v $, sagt Weiß, "die Geschwindigkeit von $ q $ im ursprünglichen Rahmen" ist. Er hätte nicht $ v $, sondern $ 2v $ setzen sollen, da die Relativgeschwindigkeit zwischen dem steigenden Ladungsstrom $ v $ und der fallenden Testladung $ -v $ $ v - (- v) = 2v ist $ .So sollte der Kontraktionsfaktor $ \ sqrt {1-4v ^ 2 / c ^ 2} $ sein.
3. Wenn wir außerdem die von Weiß verwendete heuristische Strategie verwenden, erreichen wir einen Widerspruch: Beginnen Sie mit Alle Gebühren in Ruhe: die $ z $ -Achse voller Gebühren und die Testgebühr bei $ (1,0,0) $. Nennen Sie $ Δz_0 $ die Trennung zwischen allen Ladungen in Ruhe. Lassen Sie nun die Ladungen der $ z $ -Achse wie zuvor mit einer Geschwindigkeit von $ + v $ bewegen. Bereits der Laborbeobachter UND DIE TESTLADUNG $ q $ sehen eine Kontraktion der Trennung gemäß $ Δz = Δz_0 \ sqrt {(1-v ^ 2 / c ^ 2)} $. Daher muss ein spezieller Verwandter nach denselben Manövern wie zuvor eine zusätzliche "Coulomb" -Abstoßung aufgrund der verdichteten Ladungsdichte vorhersagen. Die so vorhergesagte „magnetische“ Kraft muss also auf die RESTING-Ladung bei $ (1,0,0) $ einwirken. Und das wird nicht beobachtet. Nach meinem besten Wissen kann kein Strom entlang der $ z $ -Achse jemals eine Magnetkraft auf eine Ruheladung am Ursprung erzeugen.
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Fazit: Im Gegensatz zu den Aussagen von White ist Magnetismus NICHT NUR Elektrostatik plus spezielle Relativitätstheorie. Eine solche reduktionistische Sichtweise wandelt Magnetismus in ein oberflächliches Spiel zwischen Referenzrahmen um

Ladung erzeugt ein Feld, das auf andere Ladungen einwirkt. Die Aktion dieses Feldes unterscheidet sich jedoch von verschiedenen Referenzrahmen.

Per Definition ist das elektrische Feld

• etwas, das andere Ladungen beschleunigt und
• Magnetfeld ist etwas, das andere Ladungen dreht.

Betrachten Sie Ladung in Ruhe. Es erzeugt nur ein elektrisches Feld in seinem Ruhezustand. In diesem Rahmen wirkt es auf andere Ladungen, indem es sie in Richtung des elektrischen Feldes $ \ textbf E $ beschleunigt. Was wir im Restrahmen der Ladung sehen, ist, dass die Impulsvektoren anderer Ladungen in diesem Rahmen "verstärkt" werden.

Wenn wir dies jedoch aus dem sich bewegenden Rahmen betrachten, werden wir das sehen Impulsvektoren anderer Ladungen sind nicht nur " beschleunigt ", sondern auch " gedreht ".

Dies liegt einfach an der "reinen" Beschleunigung in einem Rahmen sieht aus wie eine Kombination von Beschleunigung und Rotation in einem anderen Frame.

Um diesen "neuen Effekt" - die Rotation des Impulsvektors - zu berücksichtigen, sagen Physiker dies im zweiten Frame (d. h Bewegung der Ladung) gibt es ein Magnetfeld (zusätzlich zu dem elektrischen Feld, das (per Definition, siehe oben) nur andere Ladungen beschleunigt).

Eine einfache "erste Antwort" wäre die Verwendung der Analogie eines Bootes in einem See.Wenn sich das Boot auf der Wasseroberfläche bewegt, stört es das Wasser und erzeugt Wellen.Wenn es sich nicht bewegt, bewegt es sich nicht.

Wenn sich ein geladenes Teilchen durch das "durchdringende" EM-Feld (Raum) bewegt, stört es das EM-Feld und erzeugt ein Magnetfeld senkrecht zur Bewegungsrichtung des Partikels.

Anschließend können Sie eine oder alle anderen Antworten verwenden, die Sie erhalten haben, um weitere Details zu erfahren.

Vielleicht möchten Sie sagen: "Das elektrische Feld einer Ladung in Ruhe erscheint als elektrisches Feld und als magnetisches Feld, wenn es von einem sich bewegenden Referenzrahmen aus betrachtet wird." Die Kommentare machen es richtig, eine Ladung ist mit einem elektromagnetischen Feld verbunden. Es erscheint als elektrostatisches Feld, wenn es von einem Rahmen aus betrachtet wird, in dem die Ladung ruht.

Angenommen, Sie haben zwei Gebühren. Einer ist der Ursprung unseres Koordinatensystems. Die andere befindet sich an einer beliebigen Position $ (x, y, z) $ span> und nimmt an, dass eine magische Kraft sie dort hält, unabhängig davon, welche EM-Felder dort auftreten könnten.

Angenommen, die Ladung am Ursprung bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie. Die Zielladung erhält nur mit Lichtgeschwindigkeit Aktualisierungen des Standorts der sich bewegenden Ladung. It reagiert auf die sich bewegende Ladung, nicht danach, wo sie sich jetzt befindet, sondern danach, wo sie einige Zeit in der Vergangenheit war.

Wenn sich die sich bewegende Ladung der Zielladung nähert, hebt ein Teil des Effekts den Effekt aufgrund der Ladung früher in ihrer Flugbahn auf. Das Gegenteil passiert, wenn sich die Ladung entfernt. Aufgrund der Überlappungseffekte kommt es zu einer gewissen Aufhebung des Feldes, wobei diese Aufhebung für die Komponente parallel zur Bewegungsrichtung erfolgt.

Eine sich bewegende Ladung trifft im Laufe der Zeit aus einer anderen Entfernung auf ein Ziel. Eine sich bewegende Ladung trifft im Laufe der Zeit aus einer anderen Richtung auf ein Ziel. Die sich ändernden Effekte verzögern sich, bevor sie das Ziel erreichen.