В каком смысле с физической точки зрения электрические и магнитные поля перпендикулярны? [закрыто]

Электрические и магнитные поля, как правило, не перпендикулярны. Предположительно, вы имеете в виду электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме, и в этом случае электрические и магнитные поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. Но, конечно, это не всегда верно; в частности, в лаборатории легко создать электрические и магнитные поля, направленные в любом желаемом направлении.

Помимо этого, кажется, что вы слишком много думаете о проблеме. Электрические и магнитные поля имеют связанные с ними направления, и в некоторых случаях эти направления перпендикулярны друг другу. Нет никакой причины ссылаться на квантовую механику, спин электрона или теорию относительности, говоря об этом факте.

нашел математические объяснения, говорящие об ортогональных векторах и уравнениях Максвелла и векторных произведениях

Это верно, и эти математические объяснения также согласуются с тем, что мы находим физически. Если вы согласитесь с тем, что уравнения Максвелла последовательно описывают электромагнетизм и приводят к электромагнитным волнам (а они это делают), вы можете показать, что

в каком смысле, говоря физически, электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу?

В том смысле, что$\bf E$и$\bf B$поля, физически колеблются в$90^\circ$друг к другу и в$90^\circ$к направлению распространения. Так оно и есть физически (опять же, для электромагнитных волн в космосе).

Я видел, что электромагнетизм является результатом релятивистских эффектов на квантовом уровне. Не в том ли, что вращение электрона создает эти эффекты, а магнитные эффекты связаны

Вам не нужно углубляться в теорию относительности или квантовую механику. Вы добавляете уровень сложности, который не нужен для описания этого аспекта электромагнитных волн.

Редактировать : как указано в комментариях ниже, в общем случае электрических и магнитных полей эти поля не обязательно должны быть ортогональными.

И почему из одной системы отсчета вы можете видеть электрическое поле, а из другой системы отсчета вы видите магнитное поле, потому что оно зависит от вашего угла относительно движения электрона?

Нет, это зависит не от угла движения, а от инерциальных систем отсчета .

Специальная теория относительности необходима , чтобы дать математическую формулировку.

Лоренцев импульс электрического заряда.

Вверху: в системе F заряд покоится, поэтому этот наблюдатель видит статическое электрическое поле. Наблюдатель в другой системе отсчета F 'двигается со скоростью v относительно F и видит, как заряд движется со скоростью -v с измененным электрическим полем E из-за сокращения длины и магнитным полем B из-за движения заряда.

Внизу: аналогичная установка с неподвижным зарядом в кадре F′.

Если есть инерциальная система отсчета, где$\bf{E}=0$(или$\bf{B}=0$), чем во всех других инерциальных системах отсчета, будет либо$\bf{E}=0$(или$\bf{B}=0$), или$\bf{E} \perp \bf{B}$.

Если, например,$\bf{B}=0$, то в этой системе заряд ускоряется в направлении$\bf{E}$. Но с другого кадра эта динамика видится как сочетание ускорения и вращения. Это связано с тем, что в пространстве Минковского все, что происходит с векторами, — это либо ускорение (изменение энергии и величины пространственного импульса), либо вращение (изменение направления пространственного импульса).

Любое ускорение (форсирование Лоренца) интерпретируется как обусловленное (преобразованным)$\bf{E}$, в то время как (3D) вращение интерпретируется как (преобразованное)$\bf{B}$. Поэтому в новом кадре мы видим поле ($\bf{B}$или$\bf{E}$), который был равен нулю в исходном кадре. Но они всегда будут ортогональны из-за трансформационных свойств ускорения при преобразовании Лоренца, независимо от свойств источников полей$\bf{B}$и$\bf{E}$.

С другой стороны, если$\bf{E} \perp \bf{B}$и$E \neq B$, то существует инерциальная система отсчета, где$\bf{E}=0$или$\bf{B}=0$. Единственный случай, когда поля ортогональны во всех кадрах, это$\bf{E} \perp \bf{B}$и$E = B$(электромагнитные волны в вакууме).

Если поля не ортогональны в одном кадре, они не будут ортогональны ни в каком другом кадре. В этом случае имеется система отсчета, в которой оба$\bf{B}$и$\bf{E}$параллельны друг другу, а ускорение (обусловленное изменением энергии и величины импульса) и центростремительная (или центробежная) сила имеют в этой системе одно и то же направление.

Я считаю, что лучший способ физически визуализировать ваш вопрос - это электромагнитное поле проводника с током.

Данное объяснение должно быть фундаментальным и должно включать в себя одетое электронное поле массы голого электрона, которое является источником и источником явления электромагнетизма. Дискретный свободный электрон, дрейфующий внутри провода, его огибающая электромагнитного потока каскадируется с другими электронами внутри и вдоль провода, как показано ниже на рис.1:

Здесь важно понимать, как показано на рис.1, что отдельный электрон имеет не отдельные электрические и магнитные потоки , а единый коллектор электромагнитных потоков . Поток электромагнитных квантов (т.е. поток ЭМ квантов электронов ) всех когерентно каскадированных электронов внутри проводника с током создает однородное макроскопическое электрическое поле внутри вдоль провода Е и огибающую магнитного поля В снаружи и вдоль провода. Оба составляют электромагнитное макроскопическое поле провода с током.

На приведенном выше рисунке (на правом рисунке рис.1 используется условное протекание тока) хорошо видно, что аксиально вектор электрического поля E внутри провода, который находится в том же направлении, что и вектор Пойнтинга тока I в случае проводника с током ( используется обычный поток тока), перпендикулярен векторам магнитного поля B вне провода.

Эта перпендикулярная характеристика компонентов B и E электромагнитного поля , движущегося по проводу, генерирующему электрический ток, является неотъемлемым свойством оболочки электромагнитного потока одетых электронов.

В левой части рис. 1 мы видим каскадные коллекторы поля электронов, центральный электромагнитный поток (см. образование потока рупорной трубки диаметрально на каждом электронном коллекторе), четко формирующий поле Е внутри провода и внешний периферийный электромагнитный поток каждого электронного коллектора. формируя однородное макроскопическое поле B вне проволоки.

Обратите также внимание на то, как взаимозаменяемость между электрической и магнитной составляющими явления электромагнетизма демонстрируется на рис.1?

Каскадный квантовый поток каждого вертикального сегмента электронного коллектора (см. образование диаметральной роговой трубки каждого коллектора), который представляет собой магнитный момент каждого электрона, становится макроскопическим чистым электрическим полем E внутри проволочного проводника и периферическим квантовым потоком каждого электронного коллектора, который представляет заряд электрона становится макроскопическим магнитным полем B вне провода.

Масса голого электрона расположена в центре коллектора электронного поля, показанного на рис.1, в безразмерной точке. Поэтому в известной литературе модель голого электрона характеризуется как элементарная безразмерная точечная массивная частица, которая в прошлом создавала много путаницы и неинтуитивного понимания. Фактическая физическая форма электронной частицы одета, что означает, что она имеет радиус заряда.

Это завершает ИМО физическое объяснение, которое вы конкретно задали в своем вопросе, помимо других более формальных правильных ответов.