運動電子過磁場有洛倫茲偏轉,若電子靜止,會發生洛倫茲偏轉嗎?

2020-12-05 易途

根據慣性定律與最小作用量原理,自由電子的運動,例如太空中的等離子體電子,應該是作測地線循環運動,其運動速度遠低於約束電子,估計低於1600km/s。

核外電子的繞核運動,即電荷運動,受到原子核質子固有磁矩/磁場的作用,勢必加速電子繞旋速度,估計在2200km/s。

人造的勻強電場提供了大於質子固有磁場的能量,必然加快核外電子運動速度。

不過磁場是無形的,你怎麼定義它的運動?

當磁場的強度發生變化時,這應該是磁場運動的定義吧?此時電動力學的麥克斯韋方程告訴我們,變化的磁場產生電場。電場會給靜止的電子作用力。磁場是不能直接給靜止的電子力的。

一個更有趣的思考:當一個運動的電子穿過磁鐵的磁場時,它會受到洛倫茲力。換一個參照系,電子靜止磁鐵運動。磁鐵周邊的磁場變化感應出電場。你會想,中間那一大塊磁場是均勻的,沒有變化,也就沒有感應出電場。然而求解整個區域的麥克斯韋方程,那個地方就是有個均勻的電場,給那個電子同樣大小的力。

可以用馬蹄形磁鐵製作一個旋轉磁場,生產一個變化磁場,磁力線穿過並切割相對靜止的電子電荷電場,必然有此電子的偏轉。

直覺是:靜止電子只是假設,電子結構極其穩定,電子內部應該是能密極高的電場。磁場的本質,是真空體積波承載電磁引力勢能的載體,而真空體積波具有超強穿透性,當然也會穿越電子內部高能密空間。

矛盾一定在於如果按照經典參考系變換電子一定會受到洛倫茲力而改變運動方向。但如果一旦運動就貌似意味著洛倫茲力對其做功。但我們知道洛倫茲力是不會做功的。問題出在這裡,洛倫茲力的本質是什麼?是電磁力,或者說電場力(麥克斯韋方程),或者說引力(相對論)?所以你看,每個階段我們理解洛倫茲力都是不同的。這正是我們認識洛倫茲力的一個過程,最開始只是發現運動的電子在磁場中會受到一個改變其運動方向的力,而這個力恰好和運動方向垂直,所以不做功,只是為了描述這個現象,那就把這個莫名其妙的力定義為「洛倫茲力」吧。可是隨著物理學的發展,人們開始研究洛倫茲力的本質。不管了,說遠了,按照麥克斯韋方程說一說運動磁場對於電子的影響。

一個靜止的電子帶電量為q(暫且正電子吧),質量m(如果忽略質量是另一種情況),然後一個強度為B的磁場按照勻速v通過電子,對電子運動進行描述。為了方便計算,我們設定電場運動方向與水平線方向夾角為θ

根據麥克斯韋方程組:

我們把第二個方程寫成一般式:

然後可以得到標量方程組:

太亂了,我們嘗試簡化一下。第一,磁場只延水平(z軸)運動;第二,假設被激發的電場只在xOy平面,不會產生第三維。運用歐拉方程,回到磁場坐標系。

因為磁場勻速運動,而且不旋轉沒有角速度(這又是另外一種情況),並且在磁場參考喜中,磁場不隨時間變化。所以有:

猜想:

用牛頓第二定律進行驗證:

可以得到:

這樣我們就得到了一個方程組:

並由此得到一個二階常微分方程:

求得Vx解為:

由此可見:

如果用圖像來描述產生電場的話就是這樣

電子的運動不太好描述。由四部分組成:

第一:半徑為mv/qB的逆時針圓周運動;

第二:半徑為mE/qB^2的順時針圓周運動;

第三:以速度E/B向右的勻速直線運動;

第四:以矢量速度v的勻速直線運動。

當然電子會運動,只不過這是電子受到的力我們已經不能用一個簡單的洛倫茲力來描述了。

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