Was ist problematisch am Moving-Magnet-and-Conductor-Problem?

Das Problem stellt sich wie folgt dar:

Es gibt einen Leiter und einen Magneten in Relativbewegung. Diese Bewegung induziert EMK im Leiter. Der Wert der induzierten EMK ist unabhängig davon, ob sich der Leiter oder der Magnet bewegt.

Dieses Phänomen hat zwei verschiedene Erklärungen, je nachdem, in welchem ​​Bezugsrahmen man sich befindet. Wenn man sich in Bezug auf den Leiter in einem ruhenden Rahmen befindet und sich der Magnet bewegt, resultiert die induzierte EMK aus der Variation des magnetischen Flusses, der ein elektrisches Feld erzeugt wie es das Faradaysche Gesetz vorschreibt.

Wenn man sich andererseits in einem Rahmen befindet, der in Bezug auf den Magneten ruht und sich der Leiter bewegt, dann ist die induzierte EMK ein Ergebnis der Lorentzkraft, die auf die Ladungsträger wirkt, die sich in einem Magnetfeld bewegen.

Dieses Problem war eine der Motivationen, die Einstein dazu veranlassten, SR zu entwickeln:

Es ist bekannt, dass die Maxwellsche Elektrodynamik – wie sie heute allgemein verstanden wird – bei Anwendung auf bewegte Körper zu Asymmetrien führt, die den Phänomenen nicht eigen zu sein scheinen. Nehmen wir zum Beispiel die wechselseitige elektrodynamische Wirkung eines Magneten und eines Leiters. Die beobachtbare Erscheinung hängt hier nur von der relativen Bewegung des Leiters und des Magneten ab, während die gewöhnliche Ansicht scharf zwischen den beiden Fällen unterscheidet, in denen entweder der eine oder der andere dieser Körper in Bewegung ist. Bewegt sich nämlich der Magnet und ruht der Leiter, so entsteht in der Nähe des Magneten ein elektrisches Feld von bestimmter bestimmter Energie, das an den Stellen, wo sich Teile des Leiters befinden, einen Strom erzeugt. Aber wenn der Magnet stationär und der Leiter in Bewegung ist, in der Nähe des Magneten entsteht kein elektrisches Feld. Im Leiter aber finden wir eine elektromotorische Kraft, der es an sich keine entsprechende Energie gibt, die aber – bei gleicher Relativbewegung in den beiden besprochenen Fällen angenommen – elektrische Ströme von gleicher Bahn und Stärke wie die erzeugten hervorruft durch die elektrischen Kräfte im ersteren Fall.

Also ja, wir haben eine physikalische Situation, die nur von der relativen Bewegung abhängt, aber die Gesetze der Physik unterscheiden zwischen dem, was sich bewegt, und dem, was ruht.

Aber ich kann immer noch nicht verstehen, was an dieser Situation problematisch ist?

Was ist falsch daran, je nach Bezugsrahmen zwei verschiedene physikalische Gesetze (Lorentzkraft und Faradaysche Kraft) zu verwenden, um dasselbe Phänomen zu beschreiben?

Man braucht ein tieferes Verständnis dafür, was Lorentzkraft, elektrische und magnetische Induktion sind. Wie sie zusammenhängen, können Sie in meiner Ausarbeitung "Über die innere Ursache der Lorentzkraft, elektrische und magnetische Induktion" nachlesen.
Ich denke, es hat damit zu tun, welches Feld bewirkt, dass der Strom im Leiter fließt. Vor der Relativitätstheorie wurden das elektrische und das magnetische Feld als zwei getrennte Felder angesehen. Im ersten Fall induziert die Bewegung des Magneten ein elektrisches Feld, dessen Kraft den Strom induziert. Im zweiten Fall versetzt die magnetische Lorentzkraft die Ladungen in Bewegung und induziert so einen Strom. Ich nehme an, diese Unterscheidung hat Einstein dazu veranlasst, das Bild der „Elektrodynamik“ zu entwickeln, das wir alle so gut kennen.
Ich würde eher in die Richtung von @PrishChakraborty gehen: Was auch immer die ursprünglichen Motivationen von Einstein waren, er legt die Regeln für die Änderung des Bezugsrahmens des elektromagnetischen Feldobjekts fest F , nicht die getrennten elektrischen und magnetischen Felder. Es gibt viel Polemik über die ursprünglichen Beweggründe, insbesondere weil das Paradoxon des sich bewegenden Magneten bereits bei Geschwindigkeiten weit unterhalb der relativistischen Korrekturen zu sehen ist ... aber dies ist nur eine Veranschaulichung, und Einsteins Vorschlag für die Raumzeit- und Elektromagnetismus-Transformationen ist mathematisch richtig, wenn auch jenseits der Intuition.
@PrishChakraborty Eigentlich hat Ampère das Wort "Elektrodynamik" geprägt.
@Geremia: Einstein entwickelte die relativistische Elektrodynamik, worauf ich mich bezog.
@PrishChakraborty Ja, ich wusste, was du meinst, aber ich wollte nur auf Ampère hinweisen, weil er sich nicht an das Feldkonzept hielt und daher nicht glaubte, dass "in der Nähe des Magneten" etwas geschaffen wurde (wie ein Feld) in Induktion.
Technisch gesehen hätte sich Einstein geirrt, denn selbst die galiläische Symmetrie ist relativ. Es ist einfach nicht die richtige Symmetrie, um sie auf ein elektrodynamisches Problem anzuwenden. Einstein wusste einfach, wie man sich anfangs irrt, kommt aber am Ende zum richtigen Schluss.

Antworten (2)

Da ist nichts problematisch.

Wie FraSchelle oben sagt – und das gilt auch für die Entwicklung vieler anderer physikalischer Theorien, da sie im Laufe der Zeit von dem Gerüst gereinigt werden, das zu ihrer Konstruktion beigetragen hat – beeinflusst die ursprüngliche Motivation den Inhalt der entwickelten Theorie nicht.

*vgl. oben auf p. 90 (PDF S. 91) von Stefano Bordonis When Historiography meets Epistemology: Pierre Duhems frühe Wissenschaftsphilosophie im Kontext einiger historischer Beispiele

Einstein bezog sich bei der Erörterung der „Asymmetrien, die den Phänomenen nicht inhärent zu sein scheinen“ auf eine bestimmte Interpretation der Elektrodynamik von Lorentz, die er zwischen 1896 und 1900 aus einem Buch von Föppl aus dem Jahr 1894 lernte.

So wie ich den Absatz verstehe, sucht Einstein nach fehlender Energie. Im Fall eines sich bewegenden Magneten gibt es ein induziertes elektrisches Feld mit Energie. Siehe zum Beispiel The Feynman Lectures Vol. II Kapitel 8, Abschnitt 5 Energie im elektrostatischen Feld . Aber wenn sich der Draht in Richtung des Magneten bewegt, gibt es eine elektromotorische Kraft, die nicht auf ein elektrisches Feld zurückzuführen ist, und daher keine elektrische Feldenergie.

Somit besagt die Theorie von Maxwell im ersten Szenario, dass mehr Energie im System vorhanden ist als im zweiten Szenario. Aber sie sollten beide dasselbe System aus unterschiedlichen Perspektiven beschreiben und daher denselben Energiewert liefern.

Es scheint erwähnenswert, dass dem (statischen) Magnetfeld eine Energie zuzuschreiben ist, die jedoch in beiden Szenarien vorhanden ist.

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