§26-2 匀速点电荷的场

现在已有了由匀速运动的点电荷产生的势,我们——为了实用原因——该求其场。有许多情况其中带电粒子是以匀速运动的——例如,穿过云室的宇宙线,或甚至在一根导线里缓慢运动的电子。因此,至少让我们知道,对于任何速率——甚至对于接近光速的速率,只要假定其中没有加速度——场实际上看来像什么样子,这是一个有意义的问题。

通过常用法则便可由势得到场:

374-1

但Az 等于零,所以我们就对式(26.1)中的ϕ取微商,得

374-2

要求得x分量需多做一些工作。ϕ的微商此时较为复杂而且Ax 又不等于零。首先,

374-3

过一会儿我们将要来看看E的物理意义,此刻让我们先来求出B。对于其z分量,

374-4

由于Ay 为零,就只需得到一个微商。然而,要注意Ax 正好是vϕ,而vϕ的∂/∂y则恰恰是-vEy 。因此

Bz =vEy . (26.7)

同理, 374-5

也即 By =-vEz . (26.8)

最后,Bx 为零,因为Ay 和Az 两者都是零。因而可以将磁场简单地写成

B=v×E. (26.9)

现在来看看场像个什么样子。我们试图把电荷在其现在位置周围各不同位置上的场描绘出来。电场的影响,在某种意义上确实来自推迟位置,但由于运动是严格规定的,所以推迟位置便可以由现在位置唯一地给出。对于匀速运动来说,更妙的是把场同现行位置联系起来,因为在点(x,y,z)处各场分量都仅取决于(x-vt),y和z——从现在位置到达点(x,y,z)的位移rP 的各分量(见图26-3)。

375-1

图26-3 一个以匀速运动着的电荷,其电场从电荷的“现”位置径向地指出

首先考虑z=0的点。那么E就只有x和y分量。根据式(26.3)和(26.6),这两分量的比恰好等于位移的x分量和y分量的比,这意味着,E和rP 指向相同方向 ,如图26-3所示。由于Ez 也正比于z,所以这个结果在三维中适用就是明显的了。总之,电场是从电荷沿径向发出的,正如一个静止电荷的场那样。当然,这个场并非完全与静止电荷的场相同,那全是由于附加因子(1-v2 )所致。但是我们还可以证明一件相当有趣的事情。要是你用一个特殊的坐标系——其中x轴被压缩了一个因子375-2 ——来画出库仑场,则你正好会得到这个差别。如果你这样做,则场线就将在该电荷前后散开,而在侧向周围将被压缩在一起,如图26-4所示。

375-3

图26-4 一个以匀速v=0.9c运动的电荷的电场[图(b)],与一静止电荷的电场[图(a)]比较

如果将E的强度同场线密度按照惯常的办法互相联系起来,则可以看到,在侧向的场较强,而前后的场较弱,恰如那些方程所指出的。首先,若在垂直于运动路线的方向上观察场强,也就是说,在(x-vt)=0的地方,从电荷至场点的距离为375-4 ,则这里总场强就是375-5 ,即

375-6

场与距离的平方成反比——很像库仑场,所不同的是被一个恒大于1的恒定附加因子375-7 所增强。因此,在运动电荷的侧向 ,电场比从库仑定律所得到的要强。实际上,侧向场比库仑场增大的倍数刚好等于该粒子的能量与其静质量的比。

在电荷的前面(与后面),y和z都是零,因而

375-8

场又与离开电荷距离的平方成反比,但现在却被减弱 了一个因子(1-v2 ),这与场线的图景相符。如果v/c是一个小量,则v2 /c2 更小,因而(1-v2 )这一因子的影响就很小,我们便回到库仑定律上来。但如果粒子的运动速度十分接近于光速,则在前后方向上的场将会大大削弱,而在侧向的场将大大增强。

关于运动电荷电场的上述结果可以这样来表示:假定你把一个静止电荷的场线描绘在一张纸上,然后使这幅图画以速率v行进。当然,此时整幅图画会受到洛伦兹收缩,也就是说,在纸面上的那些碳粒会出现在不同地方。令人惊异的是,当该页纸在你旁边飞过时,你所看到的图画仍然代表该点电荷的场线。这一收缩会把那些场线在侧向上互相挤紧,而在前后方向则彼此散开,刚好按照适当方式给出正确的线密度。我们曾强调过,场线是不真实的,只不过是一种表示场的方式。然而,这里场线却几乎像是真实的了。在这种特殊情况下,如果你错误地认为场线是由于某种原因真实地存在于空间里的,并对之作了变换,你就获得了正确的场。然而,这也丝毫不会使场线更加真实。你必须提醒你自己场线并不是真实的,你所应该做的事情就是去考虑由电荷和磁铁一起产生的电场。当磁铁运动时,新的电场被产生,从而破坏了美丽图景。因此,这一收缩图像的巧妙构思并非普遍有效。然而,对于记住来自一个快速运动电荷的场像什么样子,它是一种方便手段。

376-1

图26-5 在一运动电荷附近的磁场为v×E(试与图26-4比较)

磁场就是v×E[根据式(26.9)]。如果你把速度矢量叉乘一个径向的E场,你便会得到一个环绕着运动路线的B,如图26-5所示。如果把那些c都放回去,则你将看到,它与过去处理低速电荷时所得的结果相同。为了看清应该在哪里放进c,一个好办法是回过去参考力的定律:

F=q(E+v×B).

你看到速度乘上磁场才具有与电场相同的量纲。因此,式(26.9)的右边就应该有一个因子1/c2

376-2  (26.12)

对于一个低速运动电荷(v≪c)来说,我们可取库仑场作为E,这时

376-3

上式完全相当于曾在§14-7中得到的关于电流的磁场方程式。

我们愿意顺便指出某一种你会感兴趣而加以思考的东西(以后还将会回来再次进行讨论)。试想象两质子具有互成直角的速度,使得其中一个将横穿过另一个的路径,但却在其前面,从而彼此不会发生碰撞。在某一时刻,它们的相对位置将如图26-6(a)所示。现在试考察由q2 作用于q1 上的力以及相反情况。作用于q2 上的只有来自q1 的电力,因为q1 在沿其运动路线上不会造成磁场。然而,作用于q1 上的除了那个电力外,却还有磁力,因为q1 正在q2 所造成的B场中运动。这些力如图26-6(b)所示。作用于q1 与q2 上的电力彼此大小相等方向相反。然而,却有一侧向(磁)力作用于q1 上,而没有侧向力作用于 q2 上。是否作用不等于反作用呢?我们想把这一问题留给你们去思索。

376-4

图26-6 两个运动电荷之间的作用力并不总是相等而相反。看来“作用”不等于“反作用”