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电动力学 第6周作业

Chasse_neige

  1. 书6.12, 6.15, 6.16

6.12 电偶极子 p0 以速度 v 作匀速运动,求它产生的电磁势和场 φ,A;E,B

取Lorentz Boost的方向为x轴,记 p0 所在位置为原点,记当前时刻为时间零点。

电磁势:

在电偶极子系中,电偶极子产生的电磁势为:

ϕ=14πϵ0rp0r3A=0

换至地面系中:

(AxAyAzϕc)=(γ00γβ01000010γβ00γ)(AxAyAzϕc)=(γ00γβ01000010γβ00γ)(00014πϵ0crp0r3)=(γβ4πϵ0crp0r300γ4πϵ0crp0r3)

所以ϕ=γ4πϵ0rp0r3A=(γβ4πϵ0crp0r3,0,0)

其中r=(γ(xβct),y,z)

在电偶极子系中,电偶极子产生的电场为:

E=14πϵ03(p0r)rr2p0r5

换至地面系中,得到:

Ex=Ex=14πϵ03(p0r)xr2(p0x^)r5Ey=γ(Ey+βcBz)=γEy=γ4πϵ03(p0r)yr2(p0y^)r5Ez=γ(EzβcBy)=γEz=γ4πϵ03(p0r)zr2(p0z^)r5Bx=Bx=0By=γ(ByβEzc)=γβcEz=γ4πϵ0βc3(p0r)zr2(p0z^)r5Bz=γ(Bz+βEyc)=γβcEy=γ4πϵ0βc3(p0r)yr2(p0y^)r5

其中r=(γ(xβct),y,z)

6.15 有一沿 z 轴方向螺旋进动的静磁场 B=B0(coskmze^x+sinkmze^y),其中 km=2π/λmλm 为磁场周期长度。现有一沿 z 轴以速度 v=βc 运动的惯性系,求在该惯性系中观察到的电磁场。证明当 β1 时该电磁场类似于一列频率为 γβckm 的圆偏振电磁波。

在该系中:

Ex=γ(ExβcBy)=γβcB0sinkmzEy=γ(Ey+βcBx)=γβcB0coskmzEz=Ez=0Bx=γ(Bx+βcEz)=γBx=γB0coskmzBy=γ(ByβcEx)=γBy=γB0sinkmzBz=Bz=0

其中 z=γ(z+βct) ,得到该波波矢沿 z 方向,且圆频率为 γβckm

所以β1时该系中

Bk^c×E

正好为左旋光的电磁场表达式。

6.16 有一无限长均匀带电直线,在其静止参考系中线电荷密度为 λ。该线电荷以速度 v=βc 沿自身长度匀速移动。在与直线相距为 d 的地方有一以同样速度平行于直线运动的点电荷 q。分别用下列两种方法求出作用在电荷上的力:

(a) 在带电线静止系中确定力,然后用四维力变换公式;

带电线静止系中:

f(r)=λq2πϵ0dr^

使用力的逆变换:

(γvfxγvfyγvfzγvfvc)=(γ00γβ01000010γβ00γ)(γvfxγvfyγvfzγvfvc)

在带电线静止系中,4-力矢量为(λq2πϵ0dr^,0)

所以γvf=λq2πϵ0dr^

F=λq2πϵ0dγr^

(b) 直接计算线电荷和线电流作用在运动电荷上的电磁力。

在线电荷系中,流矢量为(cλ,0),所以地面系中,流矢量变为

(cλsIs)=(γγβγβγ)(cλ0)=(γcλγλβc)

所以离导线 d 处的电磁场为 E=γλ2πϵ0dr^ B=γβcλ2πμ0dj^×r^

此时电荷受力为:

F=γλq2πϵ0dr^+qv×γβcλ2πμ0d(j^×r^)=γλq2πϵ0d(1v2c2)r^=λq2πϵ0dγr^
  1. 试证, 电磁场的一般变换关系为,
E=Evv2v+EEvv2v+v×B1v2c2B=Bvv2v+BBvv2vvc2×E1v2c2

由于电磁场张量在变换下满足二阶张量的变换关系,所以对于 x 方向的Boost:

F=(γ00iβγ01000010iβγ00γ)(0B3B2iE1/cB30B1iE2/cB2B10iE3/ciE1/ciE2/ciE3/c0)(γ00iβγ01000010iβγ00γ)=(0γ(B3βE2c)γ(B2+βE3c)iE1cγ(B3βE2c)0B1iγ(E2cβB3)γ(B2+βE3c)B10iγ(E3c+βB2)iE1ciγ(E2cβB3)iγ(E3c+βB2)0)

得到对于 Boost 而言 E=E E=γ(E+v×B) B=B B=γ(Bv×E)

所以

E=Evv+γ(EEvv+v×B)B=Bvv+γ(BBvvvc2×E)
  1. 试证, 匀速运动的点电荷q产生的电磁场为,
E=qR4πϵ0S3(1v2c2)B=vc2×E

其中:

R=rvtS2=(Rvv)2+(1v2c2)(RRvv2v)(RRvv2v)=(Rv)2c2+(1v2c2)R2

证明:在电荷参考系 s 中,电磁场为:

E=q4πϵ0r2r^B=0

利用电磁场变换:

E=Evvv^+γ(EEvvv^)B=γvc2×E

再考虑 E ,在 t 时刻,对于场点 (x,y,z)S 系中相对距离为 R=rvt

变换至 S系中,相对距离为(假设电荷运动方向为 x 方向) r=(γ(xvt),y,z)=γ(Rv^)v^+R(Rv^)v^

所以 r2=γ2S2

E=q4πϵ0r3r=q4πϵ0γ3S3(γ(Rv^)v^+R(Rv^)v^)

换至 S 系中

E=Evvv^+γ(EEvvv^)=q4πϵ0γ3S3(γ(Rv^)v^+γ(γ(Rv^)v^+R(Rv^)v^γ(Rv^)v^)=q4πϵ0γ3S3γR=qR4πϵ0S3(1v2c2)B=γvc2×E=γvc2×q4πϵ0γ3S3(γ(Rv^)v^+R(Rv^)v^)=vc2×q4πϵ0γ3S3γR=vc2×E

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