Как и почему ускоряющие заряды излучают электромагнитное излучение?

Диаграмма может помочь:

Здесь заряженная частица сначала была неподвижна, равномерно ускорялась в течение короткого промежутка времени, а затем прекращала ускорение.

Электрическое поле вне воображаемого внешнего кольца все еще находится в конфигурации стационарного заряда.

Электрическое поле внутри воображаемого внутреннего кольца имеет конфигурацию равномерно движущегося заряда.

Внутри внутреннего и внешнего кольца силовые линии электрического поля, которые не могут разорваться, должны переходить из внутренней конфигурации во внешнюю.

Эта переходная область распространяется наружу со скоростью света, и, как видно из диаграммы, силовые линии электрического поля в переходной области (более или менее) поперечны направлению распространения.

Также см. эту демонстрацию Wolfram: Импульс излучения от ускоренного точечного заряда.

Заряженная частица покоится. Вокруг нее есть электрическое поле. Без проблем. Это его свойство.

Внутренними свойствами электронов являются их электрический заряд и их магнитный дипольный момент . Итак, электрон имеет два поля вокруг себя. Магнитное поле можно наблюдать, если поместить намагничиваемый материал во внешнее магнитное поле. Часто намагниченность материала сохраняется некоторое время, что объясняется выравниванием магнитных дипольных моментов субатомных составляющих.

Заряженная частица пришла в движение (она ускоряется). Нам сказали, что он начинает излучать ЭМ-излучение.

Если наблюдать электронный пучок в вакуумной камере, вряд ли можно будет заметить, что электроны замедляются (кроме изменения скорости и направления от земного притяжения). Поскольку нет уменьшения скорости постоянно движущегося электрона, не было бы никакой потери энергии, следовательно, электрон не излучает. Так что вы правы в том, что излучают только частицы при ускорении .

Как и почему ускоряющие заряды излучают электромагнитное излучение?

Ускоренные заряды излучают, и делают они это порциями, которые в прошлом Эйнштейн называл квантами, а позже — фотонами. Каждый фотон, как и излучающая частица, имеет составляющую электрического поля и составляющую магнитного поля, поэтому такое излучение называется электромагнитным излучением.

Почему возникает ЭМ излучение?

Предположим, вам нужно затормозить машину. Не имея ЭМ-излучения, вы могли бы остановить свою заботу, только передав свою кинетическую энергию другому телу, будь то другое массивное тело или, например, вращающийся диск. К счастью, потеря энергии при каждой передаче энергии происходит в любом случае. Итак, на вопрос « почему » ответ должен быть «потому что природа так устроена». Лучше вопросы, как что- то происходит. Ответ « как » будет объяснением на более подробном уровне (включая новые «как») на уровне наблюдения.

Как возникает ЭМ излучение?

В природе существует явление, называемое силой Лоренца. Как только электрон движется внутри магнитного поля, и если направление движения электрона не параллельно направлению север-юг магнитного поля, то электрон отклоняется в направлении, перпендикулярном обоим направлениям движения электронов и магнитного поля. .

Внешнее постоянное магнитное поле не вносит (вводит) энергию для отклонения электрона. Значит, можно сколько угодно пропускать через магнитное устройство электроны, магнитное устройство не ослабевает. Таким образом, причина отклонения и сопровождения ЭМ излучения электрона должна заключаться в самом электроне и его кинетической энергии (электрон, находящийся в состоянии покоя во внешнем магнитном поле, не будет отклонен).

Я начал с утверждения, что электрон обладает магнитным дипольным моментом. Попадая во внешнее магнитное поле, магнитное поле электронов выравнивается с этим внешним полем. В то же время происходит испускание фотона. Если мы предположим, что во время процесса выравнивания происходит излучение фотона, это снова разбалансирует выравнивание. И, поскольку фотон имеет импульс, электрон толкается против направления испускания фотона, которое соответствует наблюдению радиально наружу. направленный.

Теперь у нас есть эффективная цепочка: выравнивание - испускание фотона - отклонение - снова выравнивание - ... При этом электрон теряет кинетическую энергию и движется по спирали до тех пор, пока не остановится. В деталях спиральная дорожка представляет собой дорожку из мандариновых долек.

Ускоряющие заряды не должны излучать. Посмотрите на электрон, покоящийся на Земле (или постоянно ускоряющийся в течение длительного времени). Он не будет излучать. Формула радиационного ускорения, подобная формуле Ламора, справедлива только для частиц с изменяющимся ускорением, подобным синусоидальному движению.

См., например, Фейнман: Из http://www.mathpages.com/home/kmath528/kmath528.htm

Например, в «Лекциях по гравитации» Фейнмана он говорит: «Мы унаследовали предубеждение, что ускоряющий заряд должен излучать», а затем продолжает утверждать, что обычная формула, определяющая мощность, излучаемую ускоряющим зарядом, пропорциональна квадрату об ускорении «ввел нас в заблуждение», потому что оно применимо только к циклическим или ограниченным движениям.

Вторая проблема довольно сложная. Дж. Д. Джексон отмечает во вступительных замечаниях к своей главе «Затухание излучения, классические модели заряженных частиц», что мы знаем, как решать классические задачи электродинамики в двух идеальных условиях: а) при заданных плотностях заряда и тока, как вычислять поля и б) зная поля, как найти движение заряженных частиц в их присутствии. Когда заряженные частицы ускоряются, они производят излучение, которое, в свою очередь, влияет на движение всех других заряженных частиц. Однако эта проблема, по словам Джексона, до сих пор не решена.

Приходя к первой проблеме, если вы вычислите$\vec{E}$а также$\vec{B}$для движущейся заряженной частицы вы увидите, что они зависят от ускорения$\vec{a}$заряженной частицы. Теперь вычислите вектор Пойнтинга$\vec{S}$. Вы заметите, что$\vec{S}$, зависит от ускорения, но не от скорости. Интеграция его для получения излучаемой мощности дает знаменитую формулу Лармора. Вы можете обратиться к главе Гриффитса об «Электромагнитном излучении».