Magnetismul este o interacțiune între sarcini în mișcare. Dar cum poate fi astfel? Teoria relativității ne spune că mișcarea este o chestiune de opinie. Privește imaginile de mai jos (figura 1). Culoarea diferită a particulelor indică existența unor sarcini diferite. Observatorul din imaginea 1/2 vede două particule care se deplasează prin spațiu una lângă alta, așadar care vor interacționa din punct de vedere electric (pentru că sunt încărcate electric) și din punct de vedere magnetic (pentru că sunt sarcini în mișcare).
Un observator vede un câmp electric, pe când alt observator vede atât un câmp electric, cât și un câmp magnetic.
Dar un observator care se mișcă odată cu cele două sarcini, ca în imaginea 1/1, ar spune că sarcinile sunt în stare de repaus și s-ar aștepta doar la o interacțiune electrică între particule.
Pare a fi vorba de un paradox. Cu toate acestea, magnetismul nu distruge relativitatea, ci o salvează. Interacțiunile magnetice trebuie să existe, conform teoriei relativității. Pentru a înțelege de ce stau lucrurile astfel, să ne amintim cum se comportă spațiul și timpul, conform relativității.
Observatorii din sisteme de referință diferite nu cad de acord cu privire cu privire la lungimea unor bețe ori cu vitezele unor ceasuri, dar legile fizicii sunt valide în orice sistem de referință. În mod similar, observatorii din sisteme de referință diferite nu cad de acord cu privire la ce sunt câmpurile magnetice și electrice, dar cad de acord privind evenimente fizice concrete.
Un observator în sistemul de referință din figura 1/1 spune că sunt câmpuri electrice în jurul particulelor și prezice că pe măsură ce trece timpul particulele vor începe să accelereze una către cealaltă, intrând în coliziune până la urmă. Observatorul va explica acea coliziune ca fiind consecința atracției electrice dintre particule.
Un observator diferit, ca în imaginea 1/2, spune că particulele sunt în mișcare. Acest observator va prezice, de asemenea, că particulele se vor ciocni, dar va explica ciocnirea ca efect al câmpurilor electric și magnetic. După cum vom vedea în curând, câmpul magnetic este necesar pentru a menține validitatea predicțiilor în cele două sisteme de referință.
Pentru a înțelege cum funcționează lucrurile, trebuie să găsim un exemplu bun. Cel din imaginile de mai sus nu este bun, pentru că în cel de-al doilea sistem de referință sarcinile în mișcare creează câmpuri ce se modifică în timp în orice punct.
Exemplul din figura 2 este mai bun, pentru vedem un flux continuu de sarcini, iar câmpurile rămân la fel în timp.
Figura 2
Imaginea de mai jos, figura 3, arată un model simplificat al figurii 2. Sarcina este ca una din particulele din tubul vidat; în loc de fire, avem două linii de sarcini electrice care se deplasează în direcții opuse. De reamintit că nu are loc anularea curenților celor două rânduri de sarcini. ”Bilele” negre reprezintă particulele cu un tip de sarcină, iar cele albe au sarcină diferită. Din acest motiv curentul total din ”fir” este dublu față de cel care ar fi în cazul în care am avea doar un rând de sarcini.
Figura 3. Un model care prezintă o particulă încărcată electric și un fir purtător de curent electric, văzute în sisteme de referință diferite. Contracția relativistă este exagerată în imagine. Forța exercitată asupra particulei singure este pur magnetică în imaginea 1 (sus) și pur electrică în imaginea 2 (jos).
Figura 3 este în parte realistă, în parte nerealistă. Într-o bucată de fir de cupru există, într-adevăr, sarcini de ambele tipuri, dar particulele de un tip (protonii) sunt blocați în spațiu, în timp ce doar o parte din particulele de tipul celălalt (electronii) sunt liberi să se deplaseze. Modelul arată particulele într-o deplasare ordonată și simplă, ca mașinile pe un drum, dar în realitate particulele sunt organizate în atomi de cupru, dar există și multă mișcare termică haotică. Dar aspectele nerealiste nu sunt o problemă, pentru că rolul acestui exemplu este doar de a arăta că efectele magnetice trebuie să existe, ca urmare a relativității.
Ce forțe electrice simte particula singură din figura 3/1? Cum densitatea traficului pe cele două rânduri este similară, forța electrică totală exercitată asupra particulei izolate este zero. Fiecare particulă care atrage particula singură formează pereche cu o altă particulă, cu sarcină diferită, de pe rândul celălalt. Dacă nu am ști nimic despre magnetism, am crede că asta e toată povestea: particula singură nu simte nicio forță exercitată de fir.
Figura 3/2 arată ce am vedea dacă am face observații dintr-un sistem de referință care s-ar afla în mișcare cu particula singură. Aici vedem relativitatea în acțiune. Relativitatea ne spune că obiectele aflate în mișcare par mai scurte unui observator care nu se mișcă cu ele. Ambele rânduri de sarcini se află în mișcare în ambele sisteme de referință, dar în sistemul de referință 1 rândurile se mișcă la viteze egale, așadar contracția lor este egală.
În imaginea 3/2 însă, vitezele nu sunt egale. Sarcinile ”negre” se mișcă mult mai încet decât în figura 3/1, deci în 3/2 efectul de contracție e mai mic. Sarcinile ”albe” se mișcă mult mai rapid, așadar efectul de contracție este mai mare. Particulele din cele două rânduri nu mai sunt împerecheate, așadar forțele electrice nu se mai anulează, ca în figura 3/1. Particula singură este atrasă de fir, pentru că particulele care o atrag sunt mai dense decât particulele care o resping. Mai mult, atracția simțită de particula singură trebuie să fie de natură electrică, întrucât particula singură este în repaus în acest sistem de referință, iar efectele magnetice apar doar între sarcini aflate în mișcare.
Observatorii din cele două sisteme de referință vor fi în dezacord despre multe lucruri, dar vor cădea de acord asupra unor evenimente concrete. Observatorul 2 va vedea cum particula singură se va deplasa încet către fir din cauza atracției electrice a firului, va accelera din ce în ce mai mult, iar în final va lovi firul. Dacă observatorul 2 vede coliziunea, observatorul 1 o va vedea și el. Dar observatorul 1 știe că forța electrică exercitată asupra particulei singure este zero. Înseamnă că este implicată un alt tip de forță: magnetismul.
Acesta a fost un exemplu simplu, pentru că forța a fost doar de natură magnetică într-un sistem de referință și doar de natură electrică în celălalt. În genere, un observator într-un sistem de referință va măsura un amestec de câmpuri electrice și magnetice, pe când un observator în alt sistem de referință, în mișcare în raport cu primul, va vedea un amestec diferit al câmpurilor magnetic și electric.
Ajungem, de aceea, la concluzia, că cele două fenomene, electric și magnetic, nu sunt separate. Ele sunt două părți ale aceleași monede. Numim interacțiunile electrice și magnetice interacțiuni electromagnetice. Lista noastră de interacțiuni fundamentale are două elemente în loc de trei: gravitația și electromagnetismul.
Figura 4
Regulile fundamentale privind atracția și respingerea magnetică, reprezentate în figura 4, nu sunt așa de simple ca cele privind gravitația și electricitatea. 4/1 și 4/2 sunt consecințe ale analizei figurii 3. 4/3 și 4/4 sunt obținute prin schimbarea tipului de sarcină a particulei din partea de jos a imaginii. De exemplu, regula 3 este ca regula 1, cu excepția faptului că sarcina de jos are semn opus. Asta schimbă atracția în respingere. Știm că schimbarea tipului de sarcină schimbă interacțiunea, pentru că așa funcționează forțele electrice, iar forțele magnetice sunt doar forțe electrice văzute într-un sistem de referință diferit.
O giruetă magnetică plasată lângă un curent electric
figura 5
Figura 5 arată o giruetă magnetică, constând în două sarcini electrice care se învârtesc în cerc în jurul axei săgeții. Nu câmpul magnetic provoacă învârtirea; este nevoie de un motor pentru a iniția învârtirea. Săgeata giruetei magnetice tinde să se alinieze pe o direcție perpendiculară pe fir, pentru că sarcina mai apropiată de fir este atrasă de fir, pe când sarcina mai depărtată este respinsă.
— ••• —
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
CUPRINS
6.2. b. Electromagnetismul. Teoria relativității are nevoie de magnetism!
