Haben sich bewegende geladene Teilchen sowohl magnetische als auch elektrische Felder?

Stellen Sie sich ein geladenes Teilchen (Elektron oder Proton) in Ruhe vor. Es ist von einem eigenen elektrischen Feld umgeben.

Stellen Sie sich nun ein Elektron vor, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Gibt es noch ein elektrisches Feld um ihn herum?

  1. Wenn es ein elektrisches Feld um sich herum gibt, warum gibt es kein elektrisches Feld außerhalb des Leiters, wenn sich Elektronen in einem Leiter bewegen (dh Strom in einem Leiter fließt)?

  2. Wenn nun ein Strom in einem Leiter fließt (ich bin mir nicht sicher, was passiert, wenn die Bewegung nicht innerhalb des Leiters stattfindet), erzeugt er ein Magnetfeld um ihn herum. Ich bin verloren. Was ist mit dem elektrischen Feld passiert? Ist es noch da? Gibt es sowohl elektrische als auch magnetische Felder? Warum reden wir nicht über sie?

Antworten (3)

Gibt es immer noch ein elektrisches Feld um ihn herum?

Ja. Das Elektron bewegt sich (in unserem Bezugssystem), also gibt es jetzt ein Magnetfeld (in unserem Bezugssystem), aber mit dem elektrischen Feld passiert nichts.

ich. Wenn es ein elektrisches Feld um sich herum hat, warum gibt es kein elektrisches Feld außerhalb des Leiters, wenn sich Elektronen in einem Leiter bewegen (dh wenn Strom in einem Leiter fließt)?

Die Elektronen im Leiter erzeugen außerhalb des Leiters ein elektrisches Feld; realistischerweise befinden sich im Leiter jedoch genauso viele Protonen wie Elektronen, und daher ist das elektrische Nettofeld außerhalb des Leiters null.

ii. Wenn nun ein Strom in einem Leiter fließt (ich bin mir nicht sicher, was passiert, wenn die Bewegung nicht innerhalb des Leiters stattfindet), erzeugt er ein Magnetfeld um ihn herum. Ich bin verloren. Was ist mit dem elektrischen Feld passiert? Ist es noch da? Gibt es sowohl elektrisches als auch magnetisches Feld? Warum diskutieren wir nicht darüber?

Das elektrische Feld ist immer noch da (in gewissem Sinne), aber es ist Null , weil sich die Elektronen und Protonen im Leiter gegenseitig aufheben, also kümmern wir uns nicht darum. (Tatsächlich glaube ich, dass es ein elektrisches Feld ungleich Null geben wird , wenn Sie relativistische Effekte berücksichtigen, was im Zusammenhang mit der Elektrodynamik wahrscheinlich dumm ist , dies nicht zu tun). Davon abgesehen, wenn es aus irgendeinem Grund einen Strom von sich bewegenden Elektronen ohne Protonen gäbe, würden wir sowohl ein magnetisches als auch ein elektrisches Feld (ungleich Null) beobachten .

  1. Hypothetisch, wenn sich das Elektron schneller bewegt als das Licht. Was passiert jetzt?

Die spezielle Relativitätstheorie sagt, dass dies nicht passieren kann :). In jedem Fall würde sich, wenn wir uns einen Moment lang dumm stellen, nur der Strom und damit die Stärke des Magnetfelds ändern.

„es gibt ein magnetisches Feld (in unserem Bezugssystem)“ Moment mal! Wenn wir uns in einem System befinden, das sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Elektron bewegt. Dann gibt es kein Magnetfeld? Wie ist das möglich? Ich meine, wie kann das Magnetfeld vom Bezugsrahmen abhängen? Es ist ein Feld. Rechts?
@claws Das ist eine großartige Frage. Sie stoßen auf etwas, das schließlich zu der Idee führte, dass es kein elektrisches Feld gibt, und auch kein magnetisches Feld, sondern nur das elektromagnetische Feld. Das heißt, ob Sie ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld oder eine „Mischung“ aus beiden beobachten, hängt von Ihrem Bezugsrahmen ab , dh das elektrische und das magnetische Feld sind wirklich nur zwei Seiten derselben Medaille. Unabhängig davon, ob Sie das elektrische Feld oder das magnetische Feld bei der Arbeit sehen, dh unabhängig von Ihrem Bezugsrahmen, werden Sie immer noch die gleichen physikalischen Ergebnisse beobachten .
Wow! Es klingt total komisch und abstrakt. Könnt ihr mir ein gutes Buch zum Weiterlesen zu diesem Thema empfehlen ?
@claws Ich glaube, dass die Diskussion in Grffiths Elektrodynamik-Text, der auf S. 522 sollte das sein, wonach Sie suchen.
Ihre Antwort besagt, dass das externe elektrische Feld Null ist, was falsch ist, wie Sie mir gesagt haben. Die Drähte tragen im Allgemeinen eine überschüssige/mangelhafte Elektronenladung. Stellen Sie sich einen Kondensator vor, der einen Strom mit unterschiedlicher Elektronenladung auf jeder Platte führt.
@ Jonathan Gleason, was meinst du mit denselben physikalischen Ergebnissen? Magnetische und elektrische Kraft erzeugen aufgrund ihrer Felder unterschiedliche physikalische Ergebnisse, nicht wahr? Oder wo habe ich mich geirrt?
@A4KASH Denken Sie nur an ein Teilchen, das sich durch den Raum bewegt. In meinem Referenzrahmen kann das Partikel in Ruhe sein, aber in Ihrem Referenzrahmen können Sie beobachten, dass sich das Partikel mit Geschwindigkeit bewegt v , weil du dich mir gegenüber mit Geschwindigkeit bewegst − v . Obwohl wir unterschiedliche Zahlen messen , beobachten wir also immer noch dasselbe physikalische Phänomen. Ähnliches passiert mit dem elektromagnetischen Feld: Sie messen vielleicht andere Zahlen als ich, aber nur, weil wir andere Perspektiven haben: Wir beobachten immer noch dasselbe physikalische Phänomen.

ich. Wenn es ein elektrisches Feld um sich herum hat, warum gibt es kein elektrisches Feld außerhalb des Leiters, wenn sich Elektronen in einem Leiter bewegen (dh wenn Strom in einem Leiter fließt)?

Dies ist im Allgemeinen nicht der Fall. Ein leitendes Material, das einen stabilen Zustand erreicht hat, hat innerhalb des Leiters ein elektrisches Feld von Null, aber das Feld außerhalb des Leiters wird durch die Nettoladung auf dem Leiter sowie seine Form bestimmt. Davon abgesehen ist es definitiv möglich, einen Aufbau mit fließenden Elektronen und ohne elektrisches Feld zu haben. Wenn Sie eine Drahtschleife mit einer Anzahl unbewegter positiver Ladungen haben, die der Anzahl sich bewegender Elektronen entspricht, gibt es außerhalb des Drahtes kein elektrisches Feld, da die Nettoladung Null ist.

Genauer gesagt wird das von einem Elektron erzeugte elektrische Feld dem von einem Proton erzeugten elektrischen Feld überlagert, und das resultierende Feld ist praktisch Null, wenn Sie weit genug entfernt sind, verglichen mit dem Trennungsabstand der beiden Ladungen.

ii. Wenn nun ein Strom in einem Leiter fließt (ich bin mir nicht sicher, was passiert, wenn die Bewegung nicht innerhalb des Leiters stattfindet), erzeugt er ein Magnetfeld um ihn herum. Ich bin verloren. Was ist mit dem elektrischen Feld passiert? Ist es noch da? Gibt es sowohl elektrisches als auch magnetisches Feld? Warum diskutieren wir nicht darüber?

Wenn es eine Nettoladung gibt, gibt es wiederum ein elektrisches Nettofeld. Wenn nicht, dann gibt es kein elektrisches Feld. Durch die Bewegung der Ladungen entsteht auch ein Magnetfeld.

Was meinen Sie mit dem leitenden Material, das den stationären Zustand erreicht hat?
@ Adam Strandberg. Ich denke, um einen neutralen Körper (ohne Nettoladung) muss kein elektrisches Feld von Null sein. Wenn wir einen neutralen Körper betrachten, der ein Elektron und ein Proton enthält, ist die Nettoladung Null, aber das elektrische Feld ist genau dann Null, wenn der Abstand zwischen Proton und Elektron Null ist. Falls ich hier falsch liege . Bitte korrigieren Sie mich.

2. Stellen Sie sich nun ein Elektron vor, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit (weniger als Lichtgeschwindigkeit) bewegt. Gibt es immer noch ein elektrisches Feld um es herum?

Mit der bewegten Ladung ist immer noch ein elektrisches Feld verbunden, aber es gibt jetzt auch ein magnetisches Feld. Nur bewegte Ladungen können diese magnetische Kraft erfahren.

ich. Wenn es ein elektrisches Feld um sich herum hat, warum gibt es kein elektrisches Feld außerhalb des Leiters, wenn sich Elektronen in einem Leiter bewegen (dh wenn Strom in einem Leiter fließt)?

Bei einem idealen Leiter mit Nullwiderstand und endlichem Strom geht die elektrische Kraft auf die Leitungselektronen gegen Null. Daher ist das elektrische Feld im Inneren Null. Dies wird durch eine statische Umordnung der Elektronen im Inneren erreicht, um ein statisches elektrisches Feld zu erzeugen, das alle anderen internen elektrischen Felder aufhebt.

Es gibt jedoch immer noch ein externes elektrisches Feld von der überschüssigen Ladung im Draht, die von der Stromquelle kommt. Stellen Sie sich einen Kondensator vor, der sich langsam entlädt, wobei im Bereich zwischen den Platten ein elektrisches Feld vorhanden ist, aber kein elektrisches Feld innerhalb der stromführenden Platten.

ii. Wenn nun ein Strom in einem Leiter fließt (ich bin mir nicht sicher, was passiert, wenn die Bewegung nicht innerhalb des Leiters stattfindet), erzeugt er ein Magnetfeld um ihn herum. Ich bin verloren. Was ist mit dem elektrischen Feld passiert? Ist es noch da? Gibt es sowohl elektrisches als auch magnetisches Feld? Warum diskutieren wir nicht darüber?

Eine sich bewegende Ladung hat ein magnetisches und elektrisches Feld, das aus den Lienard-Wiechert-Potentialen abgeleitet werden kann . Dies alles wird in jedem Buch über Elektrizität und Magnetismus auf Grundschulniveau besprochen.

3.Hypothetisch, wenn sich das Elektron schneller bewegt als das Licht. Was passiert jetzt?

Die spezielle Relativitätstheorie lehrt uns, dass es eine universelle Geschwindigkeitsbegrenzung gibt, bei der sich die Lichtgeschwindigkeit bewegt, und Elektronen können sich daher nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen, egal wie viel Energie Sie einsetzen.

Ich glaube, Ihre Antwort auf (i) ist nicht ganz richtig. Dieses Argument würde auf das Feld innerhalb eines idealen Leiters zutreffen, aber die Elektronen innerhalb des Leiters kümmern sich nicht um das Feld außerhalb, da das Feld außerhalb ihr Gleichgewicht nicht beeinflusst.
@JonathanGleason Ich habe die Frage interpretiert, warum es außerhalb des Leiters kein elektrisches Feld aus den elektrischen Feldern der sich bewegenden Elektronen im Inneren gibt. Wenn die Anordnung der Ladung innerhalb des Leiters das elektrische Feld innen überall zu Null macht, dann tragen sie überall außen ein elektrisches Nullfeld bei, was nicht erklärt werden muss, weil es offensichtlich erscheint.
"Wenn die Anordnung der Ladung innerhalb des Leiters das elektrische Feld überall im Inneren zu Null macht, dann folgt daraus, dass sie überall außerhalb ein elektrisches Feld von Null beitragen ..." Ich glaube nicht, dass das stimmt. Stellen Sie sich eine unendliche zylindrische Hülle mit einer Oberflächenladungsdichte ungleich Null vor σ . Aufgrund der Symmetrie und des Gaußschen Gesetzes ist das elektrische Feld innen null , aber außen ungleich null .
@JonathanGleason Ja, du hast Recht, also +1 für deinen Kommentar.
Haben sich bewegende geladene Teilchen sowohl magnetische als auch elektrische Felder?
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