Jadąc samochodem drogą pośród drzew łatwo zauważyć, że im szybciej jedziemy – tym drzewa „rosną gęściej”. Podobnie, znaki na jezdni (zazwyczaj strzałki) są malowane w szczególny sposób – ich wymiary w kierunku zgodnym z kierunkiem jazdy są wydłużane. Gdy oglądamy te znaki z jadącego samochodu to wydłużenie znika – i strzałki wydają się być proporcjonalne.
Załóżmy, że wzdłuż osi X układu współrzędnych rozmieszczono w regularnych odstępach ładunki elektryczne. Odległość pomiędzy każdymi dwoma sąsiednimi ładunkami niech wynosi d.
Wybieramy jakiś punkt na osi Y (ale nie y=0). Wyznaczenie natężenia pola w tym punkcie nie sprawi nam żadnego problemu – tym bardziej, że składowe równoległe do osi X będą się wzajemnie znosić – pozostaną jedynie składowe prostopadłe do osi X (a więc do układu ładunków).
Zastanówmy się teraz, co się zmieni, jak ładunki będą się poruszać ruchem jednostajnym. Dla nieruchomego obserwatora, który mierzy pole w punkcie na osi Y wystąpi podobny efekt jak dla kierowcy jadącego drogą wysadzoną drzewami. Odległość pomiędzy ładunkami się zmniejszy zgodnie ze wzorem Lorentza-Fitzgeralda. Obserwator zauważy więc wzrost gęstości rozmieszczenia ładunków – a tym samym wzrost natężenia pola. Wzrost ten będzie tym większy, im większa będzie prędkość ruchu ładunków i będzie dotyczyć jedynie składowej pola prostopadłej do prostej, wzdłuż której poruszają się ładunki.
Pole elektryczne wytwarzane przez ładunki poruszające się ruchem jednostajnym różni się więc od pola wytwarzanego przez ładunek pozostający w spoczynku! Ma to bardzo poważne konsekwencje, o których za chwilę.
Efekt wzrostu prostopadłej składowej natężenia pola można próbować zaobserwować doświadczalnie – jednak nie należy do tego używać przewodnika, który jest elektrycznie obojętny – musi to być strumień ładunków. Można użyć rury próżniowej i działa elektronowego emitującego elektrony w kierunku anody. Działo musi emitować stałą liczbę elektronów na sekundę. Ich prędkość może będzie regulować zmieniając potencjał anody. Dokładny pomiar składowej prostopadłej pola elektrycznego wykaże, że im większa prędkość elektronów (wyższy potencjał anody) tym większa składowa prostopadła pola.
Jeśli teraz spróbujemy obliczyć pracę przesunięcia ładunku wzdłuż drogi zamkniętej (kontur na rysunku) to stwierdzimy, że w polu ładunku spoczywającego ta praca wynosi zero. Jeśli jednak ładunek się porusza to praca ta stanie się różna od zera – ponieważ praca na drodze A-B nie jest równa wartości pracy wykonanej na drodze C-D. Pole elektryczne nie jest już więc polem bezwirowym. Nie traci jednak symetrii radialnej – w dalszym ciągu linie sił pola zaczynają się lub kończą na ładunku, który to pole wytwarza – pozostaje więc polem źródłowym.
Jednak to nie koniec różnic pomiędzy polem E wytwarzanym przez ładunek spoczywający i ładunek poruszający się ze stałą prędkością. Zapewne Czytelnicy domyślają się o co chodzi – przecież poruszający się ładunek to prąd elektryczny, powinno więc powstać pole magnetyczne, ale na razie nie będę się tym zajmować. Poza tym troszkę o tym napisałem w jednej z poprzednich notek: http://barbarus.salon24.pl/403085,elektrycznosc-zwykla-i-alternatywna-iv
Spróbujmy teraz wyobrazić sobie taką sytuację:
Ładunek spoczywał, a następnie ruszył i po czasie t ma prędkość v. Jaka część przestrzeni „wie” o tym, że ładunek się porusza? Odpowiedź jest dość prosta – wnętrze kuli o promieniu ct . Na zewnątrz tej kuli informacja o ruchu ładunku jeszcze nie dotarła. Co się dzieje na granicy? Bardzo dobrze ilustruje to już raz cytowany przeze mnie applet ze stron CalTechu:
http://www.cco.caltech.edu/~phys1/java/phys1/MovingCharge/MovingCharge.html
Dobrej zabawy!
