Ist die Richtung des elektrischen Feldes relativ zum magnetischen Feld in einer elektromagnetischen Welle eine Konvention?

Wenn Sie die Richtung des Magnetfelds im obigen Bild umkehren würden, würde dies Licht beschreiben, das sich in die entgegengesetzte Richtung ausbreitet – also nein, auf diese Weise ist seine Richtung keine Konvention.

Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass die Richtung des Magnetfelds eine Konvention auf einer grundlegenderen Ebene ist . Es stellt eine orientierte Ebene senkrecht zu seiner Richtung über eine Orientierungsregel dar. Wenn wir uns alle entscheiden würden, die "Linke-Hand-Regel" anstelle der Rechten-Hand-Regel für das Kreuzprodukt zu verwenden, würde das Magnetfeld in die entgegengesetzte Richtung zeigen. Es ist ein Bivektor- oder Pseudovektor -Feld.

Das elektrische Feld ist ein echtes Vektorfeld. Zumindest in der dreidimensionalen Beschreibung, die selbst eine (sehr anständige) Konvention ist, solange wir anerkennen, dass dieses Bild von unserem Bezugsrahmen abhängt.

Im vierdimensionalen Bild lassen sich elektrische und magnetische Felder als ein einziges Bivektorfeld auffassen, so dass eine Wahl des Bezugssystems eine Aufspaltung dieses Bivektors in unabhängige „zeitliche“ (elektrische) und „raumartige“ (magnetische) Ebenen bestimmt.

Das mag mehr sein, als Sie ursprünglich gesucht haben, aber ich denke, diese Frage ist ein guter Einstiegspunkt für viele der anderen Darstellungsmöglichkeiten, die wir in der Physik treffen.

Die Richtung der Felder einer elektromagnetischen Welle ist nicht konventionell, sondern wird durch die Maxwell-Gleichungen bestimmt . Für den besonderen Fall einer ebenen elektromagnetischen Welle mit Kreisfrequenz$\omega$Im Vakuum, das durch das von Ihnen gepostete Bild dargestellt werden kann, erfordern die Maxwell-Gleichungen den Wellenvektor$\boldsymbol{k}$, das elektrische Feld$\boldsymbol{E}$und die magnetische Flussdichte$\boldsymbol{B}$Befolgen Sie die Beziehungen (der Punkt repräsentiert das Skalarprodukt und das Kreuz das Vektorprodukt)

Das bedeutet, dass$\boldsymbol{k}$,$\boldsymbol{E}$Und$\boldsymbol{B}$drei orthogonale Vektoren sind und dass die Richtung eines von ihnen durch die anderen beiden bestimmt wird. Also nein, man kann das Magnetfeld nicht im Bild spiegeln.

Beachten Sie, dass Sie, wenn es möglich wäre, nur das Magnetfeld zu spiegeln, durch Überlagerung eine Welle mit einem elektrischen Feld ungleich Null, aber einem Magnetfeld von Null konstruieren könnten.

Die Pfeile zeigen in die "positive" Richtung der Felder. Welche Richtung "positiv" ist, ist willkürlich (man kann sagen, dass die "positive" Richtung in einem elektrischen Feld die Richtung ist, in der die elektrische potentielle Energie für ein positiv geladenes Teilchen zunimmt, aber welche Ladung "positiv" ist, ist selbst eine Konvention ). Darüber hinaus werden diese Konventionen unabhängig gewählt. Sobald diese Konventionen jedoch gewählt sind, sind die Richtungen der Felder für eine elektromagnetische Welle festgelegt. Wenn Sie also fragen, ob die Konventionen so gewählt werden könnten, dass das Magnetfeld umgedreht würde, lautet die Antwort "Ja". Wenn Sie fragen, ob wir das Magnetfeld umkehren können, ohne die anderen Konventionen in der Physik zu beeinträchtigen, lautet die Antwort "Nein".

B wird durch den Ausdruck der Lorentzkraft definiert. In kovarianter Notation wird dies geschrieben als$f^\nu = j_\mu F^{\mu\nu}$, Wo

${\displaystyle F^{\mu \nu }={\begin{bmatrix}0&-E_{x}/c&-E_{y}/c&-E_{z}/c\\E_{x}/c&0&-B_{z}&B_{y}\\E_{y}/c&B_{z}&0&-B_{x}\\E_{z}/c&-B_{y}&B_{x}&0\end{bmatrix}}.}$

Man kann dies als Definition der Lorentz-Kraft sehen$\vec f = q \vec E + q \vec v \times \vec B$, ebenso gut wie$\vec E$Und$\vec B$.

Man kann B durch -B oder E durch -E ersetzen. Dies wäre nutzlos, da sich die messbaren physikalischen Größen wie Kräfte und Energien nicht ändern würden. Die Schüler müssten umständliche Definitionen wie „$\vec E$ist das Gegenteil der Kraft pro Ladung".

Elektronen in einem Antennenstab, in eine Richtung beschleunigt, senden alle Photonen mit dem gleichen Spin ihrer elektrischen und magnetischen Feldkomponenten aus. Dies liegt auf der Hand, da die Empfangsantennen aus einem Stab bestehen könnten, um das sich ändernde elektrische Feld zu empfangen, oder aus einem Ring (nur im deutschen Wiki verfügbar), um das magnetische Feld zu empfangen. Wenn Elektronen in die gleiche Richtung beschleunigt würden, würden sie im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn drehen, man könnte die magnetische Komponente nicht verwenden (weil sich beide Variationen gegenseitig aufheben).

Ich bin mir nicht sicher, aber ich denke, dass Protonen und Positronen den entgegengesetzten Spin zu Elektronen und Antiprotonen haben werden. Eine Abklärung durch Spezialisten wäre schön.