Ten odcinek serialu o elektryczności poświęcę fascynującej dziedzinie, o której nie uczy się w naszych szkołach – elektrodynamice. Właściwie niezależnie od poziomu kursu (chyba jedynie z wyjątkiem fizyki uniwersyteckiej) przeskakuje się od razu od elektrostatyki, na która jest omawiana dość dokładnie do prądu elektrycznego (kiedyś jeszcze była magnetostatyka).
Uważny uczeń powinien w zasadzie zapytać - „no dobrze, a jeśli ładunek się porusza, to czy wytwarza takie samo pole, jak wtedy, gdy stoi?”. I w tym miejscu zaczynają się przysłowiowe schody. Jeśli bowiem będziemy mierzyć natężenie pola elektrycznego w pewnej odległości od ładunku, to jeśli ładunek i przyrząd pomiarowy nie poruszają się względem siebie to wszystko będzie jasne. Ale co w przypadku, gdy ładunek się porusza względem naszego przyrządu?
W takim przypadku musimy postawić pytanie – z jaką prędkością rozprzestrzenia się pole elektryczne? Po jakim czasie informacja o tym, że ładunek zmienił położenie dotrze do naszego przyrządu? To pytanie jest bardzo ważne, bo przecież ładunek się w tym czasie przesunie i i źródło pola (proszę sobie przypomnieć te śliczne rysuneczki z „liniami sił”) znajdzie się już w innym miejscu i mierzona wartość natężenia pola oraz jego kierunek mogły się już zmienić...
Jeszcze gorzej, jeśli nasz ładunek, będący źródłem pola nie poruszał się początkowo względem przyrządu – a potem nagle ruszył. W jakim czasie informacja o tym dotrze do przyrządu? Jeśli pole od ładunku stojącego wygląda inaczej, niż od poruszającego się, to co właściwie w jakim momencie mierzymy?
W tym miejscu wiele osób odpowie – co za bzdura, przecież jeśli pole elektryczne rozchodzi się w próżni (lub z dobrym przybliżeniem także w powietrzu) z prędkością światła, to takie rozważania nie mają sensu, bo droga od ładunku do przyrządu jest na tyle mała, że czas jej przebycia możemy zaniedbać. Proponuję wówczas, aby PT Czytelnicy oszacowali, jaką drogę przybędzie światło w czasie repetycji kolejnych bitów w powszechnie już wykorzystywanej sieci komputerowej 10 Gbps (10 gigabitów na sekundę), a zapewne zmienicie Państwo zdanie, że fakt iż uważamy, że prędkość światła jest skończona (i największa możliwa) nie ma znaczenia technicznego i inżynier może go nie uwzględniać.
Tyle wstępu – a teraz pora na ilustrację tych zjawisk. Obiecałem, że nie będzie żadnych „robaczków” - proponuję więc Państwu na obejrzenie świetnej symulacji publikowanej w sieci przez CalTech (oby tak uczyły fizyki nasze politechniki!):
http://www.cco.caltech.edu/~phys1/java/phys1/MovingCharge/MovingCharge.html
Na początek proszę ustawić dość dużą prędkość ładunku np. 0,950 (oczywiście w jednostkach „c” widać dla studentów kursu fizyki w CalTech to dość oczywiste), ruch jednostajny („Linear”) i porównać obraz wytwarzanych przez poruszający się ładunek linii sił z wytwarzanymi przez ładunek pozostający w spoczynku. Różnią się, nieprawdaż?
W następnym kroku proszę zmienić „Linear” na „Eccentric Ellipse”, który to ruch dość dobrze oddaje charakter pola elektrycznego wytwarzanego przez drgający ładunek elektryczny (np. w antenie nadajnika fal radiowych). Ładne obrazki – nieprawdaż? Jeśli ktoś z Państwa pamięta ruchome plansze „Dziennika TV”, z okręgami opuszczającymi antenę to zapewne zauważy ich podobieństwo do prezentowanych na symulacji zawirowań pola E, które rozchodzą się w przestrzeni z prędkością światła. Mamy więc symulację fal elektromagnetycznych emitowanych przez ładunek poruszający się ruchem przyspieszonym! Przednia zabawa!
Udało nam się wyjaśnić, dlaczego Marconiemu się udało przesłać literę „E” (oczywiście w kodzie Morse'a) z Kornwalii na Nową Funlandię i dlaczego możemy słuchać radia i oglądać telewizję.
Na koniec proszę zmienić a applecie Caltechu „Eccentric Ellipse” na „Circular”. Ładunek porusza się teraz po okręgu – podobnie jak w rzeczywistym akceleratorze elektronów (synchrotronie). Oczywiście ruch jest przyspieszony (działa przyspieszenie dośrodkowe zakrzywiające ruch elektronów) – i emitowana jest fala elektromagnetyczna. I faktycznie – elektrony poruszające się po okręgu w synchrotronie rzeczywiście emitują światło, które można zobaczyć gołym okiem! Trudno chyba o bardziej bezpośrednie dowody.
A więc:
W polu elektrostatycznym wirów nie ma (rot E = 0) – w polu elektrodynamicznym (wytwarzanym przez poruszające się ładunki) zawirowania się pojawiają! A co z tego wynika napiszę w następnej notce.
