¿Cómo calculo los campos eléctricos debidos a corrientes de dipolos magnéticos?

Versión corta de mi pregunta:

¿Las corrientes dipolares causan campos? Creo que las corrientes de dipolos magnéticos alineados provocan un campo eléctrico, pero no sé cómo calcular este campo excepto en los casos más simples. quisiera saber como!

Versión completa de mi pregunta:

Supongamos que tengo un cable (o tubería) que transporta una corriente constante de partículas, y el cable tiene la forma de una curva sinusoidal en el X - Y plano con periodo espacial PAG y amplitud A . Quiero calcular los campos eléctrico y magnético producidos por la corriente en el alambre.

  1. Si las partículas que fluyen están cargadas, puedo usar la ley de Biot-Savart para escribir una integral y (al menos numéricamente) calcular el campo magnético resultante. En el límite donde A = 0 , puedo comparar mis resultados con un cálculo de Lorentz-boost y ver que los dos métodos concuerdan.

  2. Si las partículas que fluyen son dipolos eléctricos que apuntan en el Z -dirección, las cosas son más complicadas, pero todavía puedo usar la ley de Biot-Savart, sumando los campos magnéticos de dos corrientes eléctricas sinusoidales iguales, opuestas y desplazadas para obtener un campo magnético neto, aunque uno que cae mucho más rápido que en el caso anterior. Todavía puedo comparar mis resultados con el impulso de Lorentz en el A = 0 límite, y encuentre que los dos métodos concuerdan.

  3. Sin embargo, si las partículas que fluyen son dipolos magnéticos que apuntan en el Z -dirección, no sé cómo calcular sus campos eléctricos excepto en el A = 0 límite. En este límite, puedo usar un argumento de impulso de Lorentz para mostrar que existe un campo eléctrico, pero no conozco ningún equivalente a la ley de Biot-Savart para corrientes de dipolos magnéticos. Me sorprendería mucho si el campo eléctrico desapareciera en el A > 0 caso. ¿Cómo procedo? ¿Está esto cubierto en los libros de texto de primaria y me lo he perdido de alguna manera?

    Estoy tentado a modelar este tercer caso de manera similar al caso 2, como un par ficticio de "corrientes magnéticas" iguales y opuestas, y usar una versión eléctrica de Biot-Savart. Esto produce el resultado correcto en el A = 0 caso, y parece razonable en el A > 0 caso, pero parece no tener base en ningún libro de texto o referencia que pueda encontrar. ¿Qué me estoy perdiendo?

Advertencias:

  1. Si es posible, base su respuesta en libros de texto creíbles o artículos revisados ​​por pares . Por ejemplo, si cree que a las ecuaciones de Maxwell les falta un v × METRO término, me gustaría mucho ver un enlace externo para respaldarlo.

  2. Esto puede ser obvio por el "espíritu" de la pregunta, pero no estoy particularmente apegado a la forma sinusoidal del cable que transporta corriente. Cualquier forma no trivial del cable que impida un impulso de Lorentz es igualmente interesante para mí, así que continúe y cambie la forma del cable si hace que las matemáticas sean más fáciles.

Solo un pensamiento heurístico: pensar en los dipolos magnéticos como "pequeños bucles de corriente", para muchos dipolos iguales uno al lado del otro, las corrientes internas se cancelan y te queda una corriente de borde. Entonces vuelves a tu imagen de dos corrientes eléctricas que se propagan en sentido contrario infinitesimalmente separadas, solo que ahora en el plano xy. Eso es para dipolos estáticos. Para obtener una corriente, imagínese haciendo un impulso de Lorentz y terminará con corrientes de contrapropagación de magnitud desigual .
Pensar en ellos como pequeños bucles de corriente está bien, pero no creo que esto haga que el cálculo sea más fácil o más difícil.
@MichaelBrown: Te desviaste en la última oración. El impulso de Lorentz hace que la densidad de carga sea desigual en los dos lados, no la corriente. Aquí hay un análisis más detallado de impulsar un bucle actual: physicsforums.com/showthread.php?t=631446
No creo que te hayas perdido nada en los libros de texto elementales: la situación que describes es muy "artificial" (no quiero decir que esa palabra sea negativa) en el sentido de que sería extremadamente difícil de configurar en el experimento. mundo: Estoy pensando en electrones con sus espines todos alineados en la dirección Z. Así que estoy seguro de que si los autores de libros de texto elementales siquiera pensaran en ello, no lo incluirían en un primer libro de texto. La pregunta es un experimento mental excelente e intrigante +1 y ciertamente lo pensaré, pero creo que BenCrowell y @MichaelBrown tienen buenas ideas, por lo que es posible que respondan.
@BenCrowell Gracias. Ahora que realmente hago el impulso de Lorentz, veo que obtiene densidades de carga y corrientes iguales y opuestas en los cables (no obtengo densidades de carga de magnitud desigual, solo signos opuestos). Entonces, en la configuración del OP, obtienes campos dipolares eléctricos y magnéticos ortogonales. Un dipolo magnético a lo largo del eje z y un dipolo eléctrico en el plano xy ortogonal a la corriente.
@MichaelBrown: ahora que realizo el impulso de Lorentz, veo que obtiene densidades de carga y corrientes iguales y opuestas en los cables (no obtengo densidades de carga de magnitud desigual, solo signos opuestos). Creo que la discrepancia se debe a que solo estaba pensando en la densidad de carga de las cargas que fluyen, mientras que presumiblemente tenías en mente la densidad de carga total, que incluye algunas cargas opuestas que no fluyen y que cancelan la densidad de la carga que fluye en el resto marco.
@BenCrowell Sí, acabo de hacer una transformación de Lorentz del total de cuatro corrientes de los dos cables (uno es solo el negativo del otro). Me imagino que no hay necesidad de descomponerlo más ya que estos son cables ficticios de todos modos. :)

Respuestas (2)

Dado que parece haber alguna duda sobre si el campo eléctrico de un dipolo magnético reforzado es distinto de cero, este artículo de Hnizdo (¡qué gran nombre!) puede ser útil. La sección 3 calcula explícitamente el campo. Todo esto también está tangencialmente relacionado con la paradoja de Mansuripur.

Creo que la técnica de dj_mummy funciona, pero tiene la desventaja de que requiere que hagas un cálculo para algunos finitos yo y el tomar el límite yo 0 . Aquí hay una técnica diferente, que evita eso.

El potencial vectorial debido a un dipolo magnético en reposo es A m = ( ϕ , A ) , con ϕ = 0 y A = metro × r ^ / r 2 . Realice un impulso de Lorentz en este vector y obtendrá un potencial A m para un dipolo en movimiento. De hecho, solo le importa el componente temporal de esto, por lo que no necesita calcular el resto. Integre esto sobre todos los dipolos (cada uno con su propia posición y vector de velocidad), y luego tome el gradiente para obtener el campo eléctrico. Tenga en cuenta que aunque el campo eléctrico es ϕ A / t , el segundo término puede despreciarse; el valor integrado de A es constante en el m marco, ya que la corriente dipolar es estática en ese marco.

Otra forma de abordar esto, sugerida por Art Brown en un comentario a continuación, es así. Hnizdo muestra que con una aproximación suficiente, e ignorando algunas sutilezas relacionadas con la definición de multipolos, podemos tomar un dipolo magnético metro tener propiedades eléctricas, en el marco del laboratorio, caracterizadas por un momento dipolar eléctrico pag = v × metro (en unidades con C = 1 ). Esto hace que todo el problema parezca directamente análogo a la idea de desarrollar la ley de Biot-Savart ensamblando una colección de dipolos magnéticos, así que, aunque no lo he resuelto en detalle, parece que puedes obtener algo que sea un análogo exacto de la ley de Biot-Savart.

muy buena respuesta. ¿Por qué no agregar, de la ecuación 46 de su referencia, que un dipolo B metro 0 con velocidad v adquiere un momento dipolar eléctrico v × metro 0 / C 2 (mks, no relativista), que luego se puede integrar sobre el "circuito"? Muy al estilo de Biot-Savart...
@ArtBrown: ¡Buena idea! Hecho.
La referencia de Hnizdo es buena. Estoy pensando en escribirle sobre esto; es un efecto pequeño, pero me sorprende que no se mencione en Jackson. (Si es así, me lo perdí).
Esto me recuerda: tengo una vieja pregunta similar en espíritu a esta que podría interesarle. physics.stackexchange.com/q/6581/2359

Creo que su premisa 3) con el argumento de impulso de Lorentz no es correcta. Consideremos el A = 0 caso, una corriente de dipolos magnéticos (orientados en z -dirección) que fluye hacia adentro X -dirección. Entonces, el campo magnético NO cambia, y con Faraday ×   mi = B t , ×   mi desaparece, por lo que no hay campo eléctrico dinámico. Pero tampoco hay campo eléctrico estático, por razones de simetría (imagine sus dipolos apuntando en z dirección), y porque no hay exceso de carga eléctrica en ninguna parte.

(Tal argumento de simetría también puede aplicarse a la premisa 2), por lo que sería bueno ver que se resuelve en el caso límite cuando la distancia de las cargas llega a cero)

Creo que todo esto se aplica también a la forma sinusoidal.

[esta respuesta ha sido editada, ya que no tengo privilegios para comentar]

Tal vez estoy leyendo mal tu respuesta. "El campo magnético sí cambia"... ¿quisiste decir "no"? Estoy de acuerdo en que no hay campo eléctrico dinámico, ni nada que cambie con el tiempo.
Sin embargo, tu argumento de simetría se aplicaría por igual al caso 2 y al caso 3. ¿Crees que hay un campo en el caso 2?
@Andrew: si desea que Classical Physicist responda a su comentario, debe hacer +1 en su respuesta.
Muy bien, con respecto al caso 2, dipolos eléctricos que fluyen. Supongo que estamos de acuerdo en que hay un campo eléctrico. En el A = 0 caso, en el marco de reposo de los dipolos eléctricos, el campo magnético es cero. Use un impulso de Lorentz para calcular el campo magnético en un marco donde la línea de dipolos se mueve (en cualquier dirección), y encontrará que el campo magnético es distinto de cero en este marco. La simetría se rompe por el movimiento de los dipolos.
Perdón por la falta no. En el caso 2), una vez que imagina un dipolo eléctrico con una distancia finita de las cargas, genera un pequeño campo magnético a partir de las diferencias. Pero creo que no puedes pensar en un dipolo magnético compuesto por dos monopolos a una distancia finita.
¿Conoces el impulso de Lorentz?
Pero tampoco hay campo eléctrico estático, por razones de simetría (imagine que sus dipolos apuntan en la dirección -z) OK, y deje que el dipolo se mueva en la dirección +x. Considere un punto desplazado del dipolo en la dirección z, donde el campo del dipolo es B z en su propio marco de descanso. Una transformación de Lorentz en el marco de laboratorio da mi y = γ v B z , que no se desvanece debido a la simetría, y no se desvanece en absoluto.
no hay exceso de carga eléctrica en ninguna parte No es cierto. Por ejemplo, si toma un bucle de corriente cuadrado en el plano xy y lo impulsa a lo largo del eje x, entonces la densidad de carga se vuelve desigual a lo largo de los dos lados paralelos a x, debido a las contracciones de Lorentz desiguales. Más detalles aquí: physicsforums.com/showthread.php?t=631446
Vale, Ben, tienes razón. Mis argumentos de simetría no fueron lo suficientemente pensados.