匀速运动点电荷产生的电磁场解读教学文案.ppt

匀速运动(yns yndng)点电荷产生的电磁场 指导老师指导老师(losh)(losh)：孙老师孙老师(losh)(losh)和助教老师和助教老师(losh)(losh)莫建勇莫建勇 pb05203125 pb05203125第一页，共43页。库仑定律只告诉我们一个静止的点电荷的成场规律,那么当点电荷匀速运动时的成场规律怎样呢?怎样求解(qi ji)一个匀速运动点电荷对另一个点电荷的作用力呢？回答是可以运用狭义相对论的理论来进行求解(qi ji).问题问题(wnt)的的提出：提出：第二页，共43页。若在一个(y)惯性参考系k中,q2是静止的，而q1相对k系匀速运动，在k系中若要求q2对q1的作用力则直接用库仑定律即可；若要求q1对q2的作用力，可以取另一个(y)关于q1静止的惯性参考系k系，先在k系中求出有关的物理量，然后用狭义相对论中的惯性系k与k系之间的变换公式，将k系中的物理量转化到k系中，这样就可以求出在k系中q1对q2的作用力了，并可以进一步求得匀速运动的点电荷所成的电磁场,并可检验静电磁场中的一些定理在这种情况下是否成立。基本基本(jbn)想法想法:第三页，共43页。主要(zhyo)内容:求匀速运动点电荷形成(xngchng)的电场验证电场的高斯定理和检验静电场环路定理求匀速运动点电荷形成(xngchng)的磁场验证磁场的高斯定理导出毕奥-沙伐尔定理第四页，共43页。在做具体工作之前(zhqin)引进一个基本假设：电荷量不变原理：电荷量不变原理：一个系统中总电量，在不同一个系统中总电量，在不同(b tn)的惯性系中观察都是一样的的惯性系中观察都是一样的 对这条基本(jbn)假设的几点看法：第五页，共43页。1.通常气体宏观上是显电中性的，假如带电物体的总电量与它的运动状（即参考系的选择）有关的话，那么我们知道气体中例如氧气中的质子与电子的运动状态不相同的，也就是说氧气分子对外是有电性的，若说这个电量很小不易被观测到，那么一个系统中的大量分子的总和一定是容易(rngy)测到的，所以说明带电物体的总电量与其运动状态无关。第六页，共43页。2.我们知道电荷有一个很重要的特点：电荷是量子化的。如果说电荷总量与其运动状态有关的话，那么我们知道在狭义相对论中标量一般是在原惯性(gunxng)系K中测量，乘以或除以一个因子或者其它形式。总之一般都是以V为自变量的连续函数，这与电荷是量子化的相对矛盾。所以总电量应该是一个与两惯性(gunxng)系相对速度V无关的常量，即总电 量的不变原理。第七页，共43页。3.在精度(jn d)较高的电子荷质比实验中，高速运动的带电粒子的荷质比的测定实验证明符合如下关系式：这就说明(shumng)电子的总电荷不随其运动状态改变而改变.第八页，共43页。一 匀速运动(yns yndng)点电荷的电场在惯性系k中,q2是静止的，而q1相对k系以v沿x轴正向运动，取另一个(y)关于q1静止的惯性参考系k系第九页，共43页。设当k系与k系的原点重合(chngh)时t=t=0在k系中可直接(zhji)运用库仑定律:第十页，共43页。根据狭义(xiy)相对论力的变换公式第十一页，共43页。由上述(shngsh)公式可得:注:为书写方便(fngbin)下文令第十二页，共43页。所以(suy)得到k系中的作用力Lorentz Transformations得到(d do):第十三页，共43页。所以(suy)k系中作用力的最终表达式:第十四页，共43页。所以(suy)k系中作用力的矢量表达式:上式可知上式可知(k zh)牛顿第三定律在这种情况牛顿第三定律在这种情况下是不成立的下是不成立的第十五页，共43页。由作用力我们可以直接得到(d do)电场直角坐标系下的表达式:匀速运动(yns yndng)点电荷的电场第十六页，共43页。把电场用球坐标(zubio)表示：从上式可以清晰地看到匀速运动的点电荷激发的电场不再是球对称了.下面(xi mian)考察两个特殊的位置:第十七页，共43页。1.=0 a1 在点电荷速度方向电场(din chng)减小为原 来的a的平方分之一。2.=/2第十八页，共43页。a1 在点电荷速度(sd)方向电场增强为原来的a倍。用两幅图来对比静止(jngzh)点电荷和匀速运动点电荷所激发电场的差异：第十九页，共43页。二二.验证验证(ynzhng)(ynzhng)静电静电场高斯定理场高斯定理第二十页，共43页。可见,以匀速运动点电荷为球心的球面(qimin)为高斯面是满足高斯定理的,其他任意一个封闭的曲面都是满足高斯定理的,证明同静电学中一样,详见胡友秋等编著的电磁学p27页。第二十一页，共43页。二.检验(jinyn)静电场环路定理：第二十二页，共43页。所以(suy)其旋度为:这就说明匀速运动的点电荷激发的电场(din chng)不再满足静电场(din chng)环路定理!第二十三页，共43页。三.匀速运动(yns yndng)点电荷的磁场 事实上在上半部分中q1在q2就已经激发出磁场了,但由于q2是静止(jngzh)的,所以不能通过洛仑兹力检测出来,所以必须让q2动起来！第二十四页，共43页。同前面(qin mian)方法得到k系中的作用力Lorentz Transformations得到(d do):第二十五页，共43页。下面进行(jnxng)q2的速度在两个惯性坐标系中的转换,从而求出在k系中的作用力第二十六页，共43页。由狭义(xiy)相对论速度变换公式:由狭义(xiy)相对论力的变换公式:第二十七页，共43页。第二十八页，共43页。所以(suy)得到k系中的作用力第二十九页，共43页。取t=0时刻来说明(shumng)问题若q2相对(xingdu)于k系是静止的,则有 (t=0)第三十页，共43页。比较两种情况(qngkung)得到：正是因为q2在k系中以v2沿x轴正向(zhn xin)运动而多出这么一项,这就是Lorentz力!又因为:第三十一页，共43页。通过(tnggu)比较得到:对一般(ybn)情况有:由前面(qin mian)得到的电场表达式得到磁场:第三十二页，共43页。下面(xi mian)验证磁场的高斯定理上式即q1为在q2处激发(jf)的磁场第三十三页，共43页。四四.验证验证(ynzhng)磁场磁场高斯定理高斯定理:所以在这种情况磁场(cchng)高斯定理是成立的第三十四页，共43页。五.毕奥-沙伐尔定理(dngl)的证明有一根无限长通电(tng din)直导线，设其电子与离子的电荷线密度为,求其距导线r处A的电磁场第三十五页，共43页。该电场是由静止的离子和运动的电子激发(jf)电场的合成1.离子(lz)激发的电场因为离子(lz)是静止的,由静电场的高斯定理:2.电子激发的电场第三十六页，共43页。由前面(qin mian)得到:因为(yn wi)电流是稳恒的,所以不妨取t=0第三十七页，共43页。由对称性,电场(din chng)其垂直于导线:第三十八页，共43页。A处的电场(din chng):由于A点是任意(rny)的,所以通电直导线周围不存在电场.下面(xi mian)考察A处的磁场:第三十九页，共43页。第四十页，共43页。这就是著名的毕奥-沙伐尔定理,这里用狭义(xiy)相对论就可以很容易地导出.总结总结(zngji):(zngji):从历史上看,相对论很大程度上起源于电磁学的理论研究,只是尝试了运用已学过的狭义相对论来解决一些简单问题(wnt),中间肯定难免有些不妥之处,请各位老师指正第四十一页，共43页。参考文献：电磁学 胡友秋等 中国科大出版社The Feynman Lectures On Physics力学(l xu)杨维闳 中国科大出版社运动系统的电磁场 屠德雍 高教出版社电动力学(l xu)虞福春等 北京大学出版社第四十二页，共43页。肯定有不足之处肯定有不足之处(b z zh ch)恳恳请大家指正请大家指正 谢谢大家谢谢大家!第四十三页，共43页。