Physics · Livro 5 · Bachelor Year 3

Física universitária — 3.º ano

Física universitária — 3.º ano · Bachelor Year 3

6Eletromagnetismo covariante

Um fio de cobre conduz dez ampères. Seus elétrons derivam a um décimo de milímetro por segundo — mais devagar que um caracol — e o fio é eletricamente neutro com precisão fantástica. Ainda assim, uma carga que se move ao lado dele sente uma atração mensurável. Vista do referencial próprio dessa carga, a explicação “magnética” evapora: a carga está em repouso, e uma carga em repouso não sente força magnética alguma. O que a puxa, nesse referencial, é um campo elétrico — conjurado pela própria relatividade, porque a contração dos comprimentos desequilibra, em uma parte em 102410^{24}, as duas correntes de carga do fio. O magnetismo é a eletricidade vista de um assento em movimento. Este capítulo reescreve o eletromagnetismo do volume do segundo ano na linguagem dos três capítulos anteriores: quadrivetores para a carga e o potencial, um único tensor antissimétrico que mantém E\vect E e B\vect B juntos, e as quatro equações de Maxwell reduzidas a duas linhas que se leem do mesmo modo em todo referencial inercial. Além da elegância, o proveito é física em funcionamento: como os campos se transformam, por que o campo de uma carga rápida se achata num disco e por que a luz de um elétron relativístico varre para a frente como um farol — o princípio das fontes de luz síncrotron que hoje radiografam proteínas e baterias.

6.1 Quadrivetores para a carga e a corrente

Definição 6.1 (Quadrivetores)

Um quadrivetor é uma quádrupla aμ=(a0,a)a^\mu = (a^0, \vect a), μ=0,1,2,3\mu = 0, 1, 2, 3, cujas componentes se misturam sob um impulso de Lorentz exatamente como (ct,r)(ct, \vect r) se misturam:

a0=γ(a0βa1),a1=γ(a1βa0),a2,3=a2,3a'^0 = \gamma(a^0 - \beta a^1) , \qquad a'^1 = \gamma(a^1 - \beta a^0) , \qquad a'^{2,3} = a^{2,3}

para um impulso a βc\beta c ao longo de xx. Dois quadrivetores quaisquer dão o produto escalar invariante ab=a0b0aba\cdot b = a^0b^0 - \vect a\cdot\vect b, o mesmo número em todo referencial — o padrão por trás de c2t2x2c^2t^2 - x^2 e de E2p2c2E^2 - p^2c^2. A posição (ct,r)(ct, \vect r) e o quadrimomento (E/c,p)(E/c, \vect p) são os dois que já temos; o eletromagnetismo fornece agora mais três: corrente, potencial e vetor de onda.

Proposição 6.2 (A quadricorrente e a conservação da carga)

A densidade de carga ρ\rho e a densidade de corrente ȷ\vect\jmath formam a quadricorrente

Jμ=(ρc, ȷ):J^\mu = (\rho c,\ \vect\jmath\,) :

uma nuvem de carga de densidade própria ρ0\rho_0 que se move com u\vect u tem Jμ=ρ0γu(c,u)J^\mu = \rho_0\gamma_u(c, \vect u) — a densidade cresce por γu\gamma_u porque o volume da nuvem se contrai, ao passo que a própria carga é invariante (um fato experimental decisivo: átomos com elétrons internos velozes permanecem exatamente neutros). A conservação da carga é o enunciado invariante

(ρc)(ct)+divȷ=0,\frac{\partial(\rho c)}{\partial(ct)} + \operatorname{div}\vect\jmath = 0 ,

a equação da continuidade do volume do segundo ano, agora visivelmente a mesma lei para todos os observadores.

Demonstração parcial. A nuvem em movimento: uma caixa de volume próprio V0V_0 contém a carga ρ0V0\rho_0 V_0; no laboratório a caixa está contraída a V0/γuV_0/\gamma_u, logo ρ=γuρ0\rho = \gamma_u\rho_0, e ȷ=ρu\vect\jmath = \rho\vect u pela definição de densidade de corrente. Que (ρc,ȷ)(\rho c, \vect\jmath) se transforme então como quadrivetor decorre de ele ser igual a ρ0/c\rho_0/c vezes a quadrivelocidade γu(c,u)\gamma_u(c, \vect u), ela própria um quadrivetor por construção. A invariância da carga é um dado experimental.

6.2 Um só tensor para os dois campos

Definição 6.3 (Quadripotencial e tensor do campo)

Os potenciais do volume do segundo ano se reúnem no quadripotencial

Aμ=(Vc, A),A^\mu = \Big(\frac{V}{c},\ \vect A\Big) ,

e os campos mensuráveis E=VtA\vect E = -\vect\nabla V - \partial_t\vect A, B=curlA\vect B = \operatorname{\vect{curl}}\vect A são as seis componentes independentes de um único arranjo antissimétrico, o tensor do campo eletromagnético

Fμν=(0Ex/cEy/cEz/cEx/c0BzByEy/cBz0BxEz/cByBx0).F^{\mu\nu} = \begin{pmatrix} 0 & -E_x/c & -E_y/c & -E_z/c\\ E_x/c & 0 & -B_z & B_y\\ E_y/c & B_z & 0 & -B_x\\ E_z/c & -B_y & B_x & 0 \end{pmatrix} .

E\vect E e B\vect B não são dois campos, mas seis faces de um mesmo objeto; qual delas um observador chama de “elétrica” depende do movimento do observador.

Teorema 6.4 (Maxwell, de forma covariante)

As quatro equações de Maxwell do volume do segundo ano são a forma em componentes de dois enunciados independentes do referencial: o par com fontes (Gauss e Ampère–Maxwell) é

μμFμν=μ0Jν,\sum_\mu \partial_\mu F^{\mu\nu} = \mu_0\,J^\nu ,

e o par sem fontes (ausência de monopolos, Faraday) é a identidade que garante que FF deriva de um quadripotencial. A força de Lorentz é  ⁣dpμ/ ⁣dτ=qFμνuν\dd p^\mu/\dd\tau = qF^{\mu\nu}u_\nu — a lei da força, magnética inclusa, numa só linha. Como os dois lados de cada equação se transformam do mesmo modo, a teoria de Maxwell não precisa de correção alguma para ser relativística: foi a primeira peça acabada da relatividade, nascida em 1865.

Demonstração parcial. Expanda a componente ν=0\nu = 0: ii(Ei/c)=μ0ρc\sum_i\partial_i(E_i/c) = \mu_0\rho c, isto é, divE=ρ/ε0\operatorname{div}\vect E = \rho/\varepsilon_0 (usando c2=1/μ0ε0c^2 = 1/\mu_0\varepsilon_0). A componente ν=1\nu = 1 reúne t(Ex/c2)+(yBzzBy)=μ0jx-\partial_t(E_x/c^2) + (\partial_yB_z - \partial_zB_y) = \mu_0 j_x: a componente xx de Ampère–Maxwell. As demais componentes repetem o padrão; o par sem fontes é a igualdade das derivadas segundas cruzadas de AμA^\mu (verificada no Exercício 6.3). Que FμνF^{\mu\nu} se transforme como um tensor (de dois índices) — cada índice como um quadrivetor — é admitido; suas consequências são a próxima proposição.

6.3 Como os campos se transformam

Proposição 6.5 (Transformação dos campos)

Para um impulso de velocidade v=vex\vect v = v\,\vect e_x: as componentes ao longo do movimento ficam intactas, as transversais se misturam,

Ex=Ex,Ey=γ(EyvBz),Ez=γ(Ez+vBy),E'_x = E_x , \qquad E'_y = \gamma(E_y - vB_z) , \qquad E'_z = \gamma(E_z + vB_y) ,
Bx=Bx,By=γ(By+vc2Ez),Bz=γ(Bzvc2Ey).B'_x = B_x , \qquad B'_y = \gamma\Big(B_y + \frac{v}{c^2}E_z\Big) , \qquad B'_z = \gamma\Big(B_z - \frac{v}{c^2}E_y\Big) .

De modo compacto, transversalmente ao impulso: E=γ(E+vB)\vect E' = \gamma(\vect E + \vect v\wedge\vect B)_\perp e B=γ(BvE/c2)\vect B' = \gamma(\vect B - \vect v\wedge\vect E/c^2)_\perp. Um B\vect B puro num referencial é E\vect E e B\vect B em outro: os campos são um único fenômeno.

Demonstração. Admitido neste nível.

Exemplo 6.6 (Magnetismo a partir de um fio neutro)

Um fio neutro conduz corrente: rede positiva em repouso, elétrons em deriva. Para uma carga de prova que se move ao lado, passe ao referencial dela: as duas correntes de carga se contraem de modo diferente (têm velocidades diferentes), o fio adquire a carga linear líquida λ=γvI/c2\lambda' = -\gamma vI/c^2, e seu campo elétrico radial puxa a carga exatamente com a força que o laboratório chamava de qvBq\vect v\wedge\vect B. O magnetismo é a aparência do termo de segunda ordem vu/c2v u/c^2 da relatividade quando 102810^{28} cargas elementares por metro conspiram: cada efeito é fantasticamente pequeno, mas o fio é neutro com precisão ainda maior, de modo que o desequilíbrio minúsculo é a história inteira (Problema 6.1).

Uma força, duas contabilidades. Laboratório: a corrente do fio neutro cria B, e a carga em movimento sente q v B. Referencial da carga: a rede positiva agora se move e se contrai, e os elétrons (mais lentos ali) se espalham; o fio tem carga líquida e é o E' dele que puxa. Mesmo experimento, mesmo desfecho.
Uma força, duas contabilidades. Laboratório: a corrente do fio neutro cria B\vect B, e a carga em movimento sente qvBq\vect v\wedge\vect B. Referencial da carga: a rede positiva agora se move e se contrai, e os elétrons (mais lentos ali) se espalham; o fio tem carga líquida e é o E\vect E' dele que puxa. Mesmo experimento, mesmo desfecho.

Exemplo 6.7 (O campo achatado de uma carga rápida)

Transforme o campo de Coulomb de uma carga para o referencial em que ela se move com γ1\gamma \gg 1: o campo longitudinal não muda, enquanto o transversal é multiplicado por γ\gamma. O campo, antes esférico, achata-se num disco de abertura angular 1/γ\sim 1/\gamma em torno do plano que passa pela carga — acompanhado, transversalmente ao movimento, por um anel magnético B=vE/c2B' = vE'/c^2. Para um observador parado, a passagem de um próton do LHC (γ7000\gamma \approx 7000) é uma bofetada sub-picossegundo de E\vect E e B\vect B quase cruzados: quase um pulso de luz — a razão de os feixes rápidos falarem com a matéria do jeito que os fótons falam.

O campo elétrico de uma carga pontual, em repouso e a alta velocidade: o impulso de Lorentz multiplica as componentes transversais por  e deixa as longitudinais intactas, espremendo o campo num disco perpendicular ao movimento.
O campo elétrico de uma carga pontual, em repouso e a alta velocidade: o impulso de Lorentz multiplica as componentes transversais por γ\gamma e deixa as longitudinais intactas, espremendo o campo num disco perpendicular ao movimento.

6.4 Invariantes, luz e o efeito farol

Proposição 6.8 (Os dois invariantes do campo)

A partir de FμνF^{\mu\nu} podem-se construir exatamente dois escalares independentes:

E2c2B2eEB,E^2 - c^2B^2 \qquad\text{e}\qquad \vect E\cdot\vect B ,

os mesmos em todo referencial inercial. Consequências: se E>cBE > cB em algum lugar (com EB=0\vect E\cdot\vect B = 0), algum referencial vê ali um campo puramente elétrico; se E<cBE < cB, algum referencial o vê puramente magnético; e uma onda plana de luz, com E=cBE = cB e EB\vect E\perp\vect B, tem os dois invariantes nulos — é luz em todo referencial: nenhum impulso pode transformá-la num campo estático, apenas desviá-la para o vermelho. Não se pode alcançar uma onda de luz; a pergunta de adolescente de Einstein se responde a si mesma em dois invariantes.

Demonstração parcial. Verifique a invariância sob o impulso padrão por substituição direta da Proposição 6.5 (Exercício 6.6); que não exista um terceiro invariante independente é admitido. Para a onda: E=cBE = cB e a ortogonalidade anulam os dois; um referencial com campo estático exigiria um invariante não nulo.

Proposição 6.9 (Quadrivetor de onda, Doppler e aberração)

A frequência e a direção de uma onda plana formam o quadrivetor nulo kμ=(ω/c,k)k^\mu = (\omega/c, \vect k), k=ω/c\|\vect k\| = \omega/c. Transformá-lo dá de uma vez a fórmula relativística do efeito Doppler do Capítulo 4 e a aberração das direções:

cosθ=cosθβ1βcosθ.\cos\theta' = \frac{\cos\theta - \beta}{1 - \beta\cos\theta} .

Lida ao contrário, uma fonte que irradia isotropicamente em seu referencial de repouso concentra, no laboratório, metade de sua luz no cone dianteiro θ1/γ\theta \lesssim 1/\gamma: é o efeito farol. Um elétron que gira a γ104\gamma \sim 10^4 num anel de armazenamento varre um holofote de raios X de 0.1mrad0.1\,\mathrm{mrad} ao redor do anel — a luz síncrotron que abastece as linhas de cristalografia de proteínas.

Demonstração parcial. A fase ωtkr=kμxμ\omega t - \vect k\cdot\vect r = k^\mu x_\mu conta as cristas de onda que passam por eventos — um invariante — de modo que kμk^\mu tem de se transformar como quadrivetor. Aplique o impulso a (ω/c,kcosθ,ksinθ,0)(\omega/c, k\cos\theta, k\sin\theta, 0): a componente temporal dá o efeito Doppler, e a razão das componentes espaciais dá a fórmula da aberração. Impondo θ=90\theta' = 90^\circ (o raio lateral no referencial da fonte): cosθ=β\cos\theta = \beta, isto é, θ1/γ\theta \approx 1/\gamma para γ1\gamma \gg 1 — metade da esfera se dobra dentro do cone dianteiro.

A aberração dobra a radiação de uma fonte rápida num cone dianteiro de semiabertura 1/: o efeito farol, e o princípio de funcionamento das fontes de luz síncrotron.
A aberração dobra a radiação de uma fonte rápida num cone dianteiro de semiabertura 1/γ\sim 1/\gamma: o efeito farol, e o princípio de funcionamento das fontes de luz síncrotron.

Método 6.10 (Trabalhar de modo covariante)

(1) Identifique os quadrivetores em jogo (xμx^\mu, PμP^\mu, JμJ^\mu, AμA^\mu, kμk^\mu) e prefira seus produtos invariantes às componentes. (2) Para transformar campos, separe as componentes ao longo e transversalmente ao impulso e aplique a Proposição 6.5. (3) Verifique os dois invariantes antes e depois — o detector de erros mais rápido do assunto. (4) Quando um problema magnético parecer misterioso, viaje com a carga: no referencial dela só E\vect E' age. (5) Confie em Maxwell: as equações nunca precisam de “correções” relativísticas, apenas de uma leitura relativística.

Uma aurora: cargas do vento solar guiadas pelo campo magnético da Terra até a atmosfera polar. O que um observador chama de condução magnética, outro chama de aceleração elétrica — os campos se misturam sob as transformações deste capítulo.
Uma aurora: cargas do vento solar guiadas pelo campo magnético da Terra até a atmosfera polar. O que um observador chama de condução magnética, outro chama de aceleração elétrica — os campos se misturam sob as transformações deste capítulo.

6.5 Exercícios

Exercício 6.1

(a) Aplique a aμ=(5,3,0,0)a^\mu = (5, 3, 0, 0) (em unidades de um certo a0a_0) um impulso de β=0.6\beta = 0.6: calcule aμa'^\mu e verifique que aaa\cdot a não muda. (b) Mostre que a soma de dois quadrivetores é um quadrivetor. (c) O (c,v)(c, \vect v) de uma partícula é um quadrivetor? E γ(c,v)\gamma(c, \vect v)? (d) Por que “o campo elétrico” sozinho não faz parte de quadrivetor algum?

Solução

Solução de Exercício 6.1.

(a) γ=1.25\gamma = 1.25: a0=1.25(51.8)=4.0a'^0 = 1.25(5 - 1.8) = 4.0, a1=1.25(33)=0a'^1 = 1.25(3 - 3) = 0; aa=259=16=160a\cdot a = 25 - 9 = 16 = 16 - 0. (b) A transformação é linear e, portanto, se distribui sobre somas. (c) (c,v)(c, \vect v): não — sua componente “temporal” é a mesma para todas as partículas, enquanto a mistura exige o contrário; γ(c,v)= ⁣dxμ/ ⁣dτ\gamma(c, \vect v) = \dd x^\mu/\dd\tau: sim, um quadrivetor dividido pelo invariante  ⁣dτ\dd\tau. (d) As três componentes de E\vect E se misturam com as de B\vect B, e não com escalar algum: os campos preenchem um tensor de dois índices, não um quadrivetor.

Exercício 6.2

Um fio de cobre de seção 1.0mm21.0\,\mathrm{mm}^{2} conduz 10A10\,\mathrm{A}; a densidade de elétrons de condução é n=8.5×1028m3n = 8.5 \times 10^{28}\,\mathrm{m}^{-3}. (a) Calcule a velocidade de deriva. (b) Escreva JμJ^\mu para o fluido de elétrons e para a rede. (c) Verifique a equação da continuidade para cada um. (d) O fio é neutro: quanto vale JμJ^\mu para o fio inteiro, e que componente sobrevive?

Solução

Solução de Exercício 6.2.

(a) u=I/nSe=10/(8.5×1028×106×1.6×1019)=7.4×104m/su = I/nSe = 10/(8.5 \times 10^{28} \times 10^{-6} \times 1.6 \times 10^{-19}) = 7.4 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. (b) Rede: (nec,0)(nec, \vect 0); elétrons: (nec,neu)(-nec, -ne\vect u) — a densidade de corrente deles, ρu=neu\rho_-\vect u = -ne\vect u, aponta contra a sua deriva, e essa é a direção da corrente convencional. (c) Ambas são estáticas e uniformes: todos os termos se anulam. (d) Total: (0,ȷ)(0, \vect\jmath) com j=I/S=107A/m2j = I/S = 10^{7}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2} — uma corrente pura sem carga, a configuração que torna sutil a relatividade do fio.

Exercício 6.3

(a) A partir da matriz de FμνF^{\mu\nu}, diga que componentes dão EyE_y e BxB_x. (b) Escreva FμνF^{\mu\nu} para um campo uniforme puro B=Bez\vect B = B\vect e_z e para o campo de uma onda plana (E=Eey\vect E = E\vect e_y, B=(E/c)ez\vect B = (E/c)\vect e_z). (c) Verifique nas componentes que Fμν=μAννAμF^{\mu\nu} = \partial^\mu A^\nu - \partial^\nu A^\mu reproduz B=curlA\vect B = \operatorname{\vect{curl}}\vect A para μν=12\mu\nu = 12. (d) Por que FF precisa ser antissimétrico para que a força qFμνuνqF^{\mu\nu}u_\nu não realize trabalho no referencial próprio da partícula?

Solução

Solução de Exercício 6.3.

(a) EyE_y: F20=Ey/cF^{20} = E_y/c; BxB_x: F32=BxF^{32} = B_x. (b) Para B=Bez\vect B = B\vect e_z, apenas F12=BF^{12} = -B e F21=+BF^{21} = +B; para a onda, F20=E/cF^{20} = E/c, F12=E/cF^{12} = -E/c (e os parceiros antissimétricos). (c) F12=1A22A1=xAy+yAx=(curlA)z=BzF^{12} = \partial^1A^2 - \partial^2A^1 = -\partial_xA_y + \partial_yA_x = -(\operatorname{\vect{curl}}\vect A)_z = -B_z: confere com a matriz. (d) A taxa de variação da energia da partícula é F0νuν\propto F^{0\nu}u_\nu; no referencial de repouso uν=(c,0)u_\nu = (c, \vect 0) e a antissimetria faz F00=0F^{00} = 0: uma força que jamais pode realizar trabalho sobre uma partícula em repouso — a propriedade que define a parte magnética.

Exercício 6.4

Um capacitor de placas paralelas em repouso mantém E=E0ey\vect E = E_0\vect e_y, sem B\vect B. Dê E\vect E' e B\vect B' num referencial que se move (a) ao longo de ey\vect e_y (perpendicular às placas); (b) ao longo de ex\vect e_x (paralelo às placas), e interprete o B\vect B' que aparece como o campo das cargas superficiais em movimento; (c) verifique os invariantes no caso (b); (d) no caso (b), as placas também se contraem: que grandezas (σ\sigma? EE'? a separação das placas?) mudam, e de modo coerente com o quê?

Solução

Solução de Exercício 6.4.

(a) Impulso ao longo do campo: componentes longitudinais intactas, E=E0ey\vect E' = E_0\vect e_y, B=0\vect B' = \vect 0. (b) Impulso ao longo de ex\vect e_x: Ey=γE0E'_y = \gamma E_0, Bz=γvE0/c2B'_z = -\gamma vE_0/c^2 — as placas passam a escoar como correntes superficiais ±σv\pm\sigma'v, e duas lâminas de corrente opostas envolvem exatamente um campo desses. (c) E2c2B2=γ2E02(1β2)=E02E'^2 - c^2B'^2 = \gamma^2E_0^2(1 - \beta^2) = E_0^2; EB=0\vect E'\cdot\vect B' = 0: os dois se preservam. (d) As placas se contraem ao longo de xx, logo σ=γσ\sigma' = \gamma\sigma, coerente com E=σ/ε0=γE0E' = \sigma'/\varepsilon_0 = \gamma E_0; a separação, transversal ao impulso, fica intacta.

Exercício 6.5 ★★

A fem de movimento unificada. Uma haste condutora desliza com v\vect v sobre trilhos através de um B\vect B uniforme. (a) Contabilidade do laboratório: que força empurra os elétrons ao longo da haste, e que fem resulta? (b) Contabilidade no referencial da haste: que campo os empurra, e de onde ele vem na Proposição 6.5? (c) Mostre que as duas fem coincidem em ordem v/cv/c. (d) A regra do fluxo de Faraday, do volume do primeiro ano, cobria tanto o caso “circuito em movimento” quanto “campo variável” com uma só fórmula: o que a relatividade diz sobre por que essa unificação tinha de funcionar?

Solução

Solução de Exercício 6.5.

(a) A força magnética evB-e\vect v\wedge\vect B empurra os elétrons ao longo da haste: fem =vBL= vBL. (b) No referencial da haste, ela está em repouso — nenhuma força magnética sobre cargas paradas — mas a transformação entrega E=γvB\vect E' = \gamma\,\vect v\wedge\vect B: é um campo elétrico honesto que faz o trabalho. (c) EL=γvBLvBLE'L = \gamma vBL \approx vBL em ordem v/cv/c. (d) Tinha de funcionar porque a fem “de movimento” e a fem “de transformador” são um só fenômeno lido em dois referenciais: a regra do fluxo é a covariância vestida de 1831 — o artigo de Einstein de 1905 abre exatamente com essa assimetria entre o ímã e o condutor.

Exercício 6.6 ★★

(a) Usando a Proposição 6.5, verifique por cálculo direto que E2c2B2=E2c2B2E'^2 - c^2B'^2 = E^2 - c^2B^2 para um impulso ao longo de xx. (b) Verifique que EB=EB\vect E'\cdot\vect B' = \vect E\cdot\vect B. (c) Uma região contém E\vect E e B\vect B perpendiculares, com E=2cBE = 2cB: encontre o referencial de campo puramente elétrico (direção e velocidade). (d) Por que nenhum referencial pode tornar o campo de uma onda plana de luz puramente elétrico ou puramente magnético?

Solução

Solução de Exercício 6.6.

(a) As componentes xx ficam intactas; para as transversais, Ey2+Ez2c2(By2+Bz2)=γ2[(EyvBz)2+(Ez+vBy)2c2(By+vEz/c2)2c2(BzvEy/c2)2]E_y'^2 + E_z'^2 - c^2(B_y'^2 + B_z'^2) = \gamma^2[(E_y - vB_z)^2 + (E_z + vB_y)^2 - c^2(B_y + vE_z/c^2)^2 - c^2(B_z - vE_y/c^2)^2]; os termos cruzados se cancelam e os quadrados reúnem γ2(1β2)=1\gamma^2(1 - \beta^2) = 1 vezes a combinação não transformada. (b) A mesma contabilidade sobre ExBx+EyBy+EzBzE_xB_x + E_yB_y + E_zB_z. (c) E2c2B2=3c2B2>0E^2 - c^2B^2 = 3c^2B^2 > 0: impulso ao longo de EB\vect E\wedge\vect B a v=c2B/E=c/2v = c^2B/E = c/2; ali B=0B' = 0 e o campo que sobra é E=E/γ=3cBE' = E/\gamma = \sqrt3\,cB — cujo quadrado dá o invariante, como deve ser. (d) Uma onda de luz tem os dois invariantes nulos: todo referencial precisa reproduzir E=cBE' = cB' \perp, jamais um campo puro.

Exercício 6.7 ★★

Campos cruzados. No laboratório, E=Eey\vect E = E\vect e_y e B=Bez\vect B = B\vect e_z com E<cBE < cB. (a) Mostre que o referencial que se move com vd=(E/B)ex\vect v_{\text{d}} = (E/B)\,\vect e_x vê um campo puramente magnético. (b) Descreva o movimento de uma carga solta em repouso, visto desse referencial e de volta no laboratório (uma cicloide que deriva a vdv_{\text{d}}). (c) O filtro de velocidades do volume do primeiro ano deixava passar sem desvio as partículas de velocidade E/BE/B: deduza isso de novo, numa linha, a partir de (a). (d) O que acontece, qualitativamente, quando E>cBE > cB — e por que o truque do referencial de deriva se torna então impossível?

Solução

Solução de Exercício 6.7.

(a) Com vd=E/Bv_{\text{d}} = E/B: Ey=γ(EvdB)=0E'_y = \gamma(E - v_{\text{d}}B) = 0; Bz=γ(BvdE/c2)=B/γB'_z = \gamma(B - v_{\text{d}}E/c^2) = B/\gamma: campo puramente magnético, um pouco enfraquecido. (b) Ali: um círculo a qB/γmqB'/\gamma m; de volta ao laboratório: esse círculo mais a deriva uniforme — uma cicloide que rasteja a E/BE/B perpendicularmente aos dois campos, a trajetória das cargas num magnétron. (c) Uma partícula que se move exatamente a vdv_{\text{d}} está em repouso no referencial de deriva, onde o único campo é magnético e ela nada sente: não é desviada. (d) Para E>cBE > cB a deriva necessária excederia cc: não existe tal referencial; em vez disso existe um referencial de EE puro (exercício anterior), e a carga é acelerada sem limite ao longo do campo.

Exercício 6.8 ★★

O quadrivetor de onda kμ=(ω/c,k)k^\mu = (\omega/c, \vect k). (a) Mostre que exigir a invariância da fase obriga kμk^\mu a se transformar como quadrivetor. (b) Deduza a fórmula longitudinal do efeito Doppler a partir de sua componente temporal. (c) Deduza a fórmula da aberração. (d) Aberração da luz das estrelas: a Terra orbita a 29.8km/s29.8\,\mathrm{km}/\mathrm{s}; por que ângulo a posição aparente de uma estrela varre ao longo de um ano? (Bradley mediu 20.520.5'' em 1728 — a primeira prova direta de que a Terra se move.)

Solução

Solução de Exercício 6.8.

(a) A fase ωtkr\omega t - \vect k\cdot\vect r conta eventos de passagem de crista, um número invariante; ela é igual a kμxμk^\mu x_\mu, e a invariância do produto para todo xμx^\mu obriga kμk^\mu a se transformar como quadrivetor. (b) ω/c=γ(ω/cβkx)\omega'/c = \gamma(\omega/c - \beta k_x) com kx=(ω/c)cosθk_x = (\omega/c)\cos\theta; para θ=0\theta = 0, ω=ω(1β)/(1+β)\omega' = \omega\sqrt{(1-\beta)/(1+\beta)}. (c) cosθ=kx/(ω/c)\cos\theta' = k'_x/(\omega'/c): a fórmula enunciada. (d) β=104\beta = 10^{-4}: 20.520.5''; ao longo de um ano a posição aparente varre uma elipse desse semieixo angular — a aberração de Bradley.

Exercício 6.9 ★★

Uma carga qq se move com v=vex\vect v = v\vect e_x constante, γ1\gamma \gg 1. (a) Transformando o campo de Coulomb, mostre que, no plano transversal que passa pela carga, o campo é amplificado a γq/4πε0b2\gamma q/4\pi\varepsilon_0b^2 à distância bb, enquanto à frente e atrás ele é esmagado por 1/γ21/\gamma^2. (b) Mostre que um observador parado à distância bb vê um pulso de campo de duração b/γv\sim b/\gamma v. (c) Para um próton do LHC que passa a b=1cmb = 1\,\mathrm{cm}: campo máximo e duração do pulso. (d) Em que sentido preciso esse pulso é “quase luz”? (Verifique EcBE' \approx cB' e os invariantes.)

Solução

Solução de Exercício 6.9.

(a) No referencial de repouso, Coulomb; o impulso multiplica as componentes transversais por γ\gamma (no plano transversal, E=γq/4πε0b2E'_\perp = \gamma q/4\pi\varepsilon_0b^2), ao passo que o campo ao longo do movimento, avaliado à frente ou atrás a uma distância rr do laboratório, corresponde a uma distância γr\gamma r no referencial de repouso: reduzido por 1/γ21/\gamma^2. (b) O disco de largura angular 1/γ1/\gamma passa com velocidade vv: duração (b/γ)/v\sim (b/\gamma)/v. (c) E=7250×1.6×1019×9×109/1040.1V/mE' = 7250 \times 1.6 \times 10^{-19} \times 9 \times 10^{9}/10^{-4} \approx 0.1\,\mathrm{V}/\mathrm{m}, durando 2b/γc9fs2b/\gamma c \approx 9\,\mathrm{fs}. (d) B=vE/c2E/cB' = vE'/c^2 \approx E'/c e os dois invariantes são O(1/γ2)O(1/\gamma^2): localmente indistinguível de um pulso de luz — a base da descrição por “fótons equivalentes” das colisões de cargas rápidas.

Exercício 6.10 ★★★

Perseguir uma onda de luz. Uma onda plana tem E=E0eycos(ω(tx/c))\vect E = E_0\vect e_y \cos(\omega(t - x/c)), B=(E0/c)ezcos(ω(tx/c))\vect B = (E_0/c)\vect e_z\cos(\omega(t - x/c)). Um observador a persegue com β\beta. (a) Transforme os campos: mostre que E0=E0(1β)/(1+β)E'_0 = E_0\sqrt{(1-\beta)/(1+\beta)} e B0=E0/cB'_0 = E'_0/c. (b) Mostre que a frequência se transforma pelo mesmo fator: a onda continua onda, desviada para o vermelho, com E=cBE' = cB' sempre. (c) O que acontece com a densidade de energia da onda (proporcional a E2E^2) e com o número de fótons? (d) Conclua: o que exigiria “viajar ao lado de um feixe de luz”, e qual invariante o proíbe?

Solução

Solução de Exercício 6.10.

(a) Ey=γ(EvB)=γE0(1β)cos()=E0(1β)/(1+β)cos()E'_y = \gamma(E - vB) = \gamma E_0(1 - \beta)\cos(\cdots) = E_0\sqrt{(1-\beta)/(1+\beta)}\cos(\cdots), e Bz=Ey/cB'_z = E'_y/c pela mesma álgebra. (b) A fase se transforma pelo mesmo fator Doppler: a mesma onda nula, mais vermelha e mais fraca. (c) A densidade de energia cai com o quadrado do fator Doppler; o número de fótons não muda — cada hνh\nu de fóton carrega o fator inteiro. (d) “Viajar ao lado” significa o fator 0\to 0 quando β1\beta \to 1: a onda nunca se torna estática porque seus invariantes são nulos — não há referencial em que a luz fique parada, que é onde a relatividade deste livro começou.

Exercício 6.11 ★★★

A luz síncrotron e a morte das máquinas circulares de elétrons. Uma carga ultrarrelativística num círculo de raio rr irradia a potência P=q2cγ4/6πε0r2P = q^2c\gamma^4/6\pi\varepsilon_0r^2 (admitido — a fórmula de Larmor do volume do segundo ano, com o impulso de Lorentz aplicado). (a) Mostre que a energia perdida por volta é ΔE=q2γ4/3ε0r\Delta E = q^2\gamma^4/3\varepsilon_0r. (b) LEP: elétrons a 100GeV100\,\mathrm{GeV} com r=3.1kmr = 3.1\,\mathrm{km}: calcule γ\gamma e o ΔE\Delta E por volta — que fração da energia do feixe é recomprada a cada volta? (c) LHC: prótons a 6.8TeV6.8\,\mathrm{TeV}, no mesmo túnel: calcule o ΔE\Delta E por volta e compare. (d) Explique, com o fator γ4=(E/mc2)4\gamma^4 = (E/mc^2)^4, por que o sucessor dos elétrons é um colisor linear ou um anel muito maior, e por que os anéis de prótons sobrevivem.

Solução

Solução de Exercício 6.11.

(a) Por volta, ΔE=P×2πr/c\Delta E = P \times 2\pi r/c: o resultado enunciado. (b) γ=1011/5.11×105=1.96×105\gamma = 10^{11}/5.11 \times 10^{5} = 1.96 \times 10^{5}: ΔE2.9GeV\Delta E \approx 2.9\,\mathrm{GeV} por volta — três por cento da energia do feixe reinjetados a cada volta; os clístrons do LEP eram o maior transmissor de rádio da Terra. (c) Prótons: γ=7250\gamma = 7250, com γ4\gamma^4 menor por (mp/me)41013(m_{\text{p}}/m_{\text{e}})^4 \approx 10^{13}: cerca de 5keV5\,\mathrm{keV} por volta — desprezível. (d) γ4=(E/mc2)4\gamma^4 = (E/mc^2)^4: a energias iguais o elétron irradia 101310^{13} vezes mais; daí os colisores lineares (irradia-se uma vez, não a cada volta) ou anéis gigantescos para elétrons, ao passo que os anéis de prótons escalam sem dor até 27km27\,\mathrm{km}.

Exercício 6.12 ★★★

O cíclotron relativístico. Uma carga num B\vect B uniforme, a velocidade relativística. (a) A partir de  ⁣dp/ ⁣dt=qvB\dd\vect p/\dd t = q\vect v\wedge\vect B com EE constante, mostre que a órbita é um círculo percorrido com ω=qB/γm\omega = qB/\gamma m: a frequência de cíclotron cai com a energia. (b) Um cíclotron clássico empurra a ω0=qB/m\omega_0 = qB/m fixo: mostre que, após NN voltas com γ1\gamma - 1 crescendo linearmente até seu valor final Γ\Gamma, o escorregamento de fase acumulado atinge um quarto do período da radiofrequência quando Γ1/2N\Gamma \approx 1/2N; para N=100N = 100 voltas, que energia cinética de próton é essa, e como ela se compara ao teto histórico dos cíclotrons clássicos (uns 20MeV20\,\mathrm{MeV}, conquistados com margem e tensão extras)? (c) Existem dois remédios: elevar a frequência (sincrocíclotron) ou moldar B(r)B(r) para crescer como γ\gamma (cíclotron isócrono): explique cada um numa frase. (d) O cíclotron isócrono do PSI entrega prótons de 590MeV590\,\mathrm{MeV}: por que fator seu campo na borda supera o campo central?

Solução

Solução de Exercício 6.12.

(a) p|\vect p| é constante (não há trabalho); p˙=qvB\dot{\vect p} = q\vect v\wedge\vect B gira p\vect p à taxa qvB/p=qB/γmqvB/p = qB/\gamma m. (b) Escorregamento por volta 2π(γ1)2\pi(\gamma - 1); com γ1\gamma - 1 crescendo linearmente até Γ\Gamma, o escorregamento total é πNΓ\approx \pi N\Gamma; um quarto de período é π/2\pi/2: Γ1/2N\Gamma \approx 1/2N. Para N=100N = 100: Γ=5×103\Gamma = 5 \times 10^{-3}, Ek4.7MeVE_k \approx 4.7\,\mathrm{MeV} — a escala certa; as máquinas reais o esticaram até 20MeV\sim20\,\mathrm{MeV} com tensões altas nos dês (menos voltas). (c) Sincrocíclotron: baixe a radiofrequência durante cada pulso para acompanhar qB/γmqB/\gamma m. Cíclotron isócrono: deixe B(r)B(r) crescer γ(r)\propto\gamma(r), de modo que a razão nunca mude e o feixe permaneça contínuo. (d) γ=1+590/938=1.63\gamma = 1 + 590/938 = 1.63: o campo na borda tem de superar o campo central por esse fator.

6.6 Problema: Magnetismo a passo de caracol

Problema 6.1

Problema de fim de semana — como um desequilíbrio de 102410^{-24} faz girar todo motor

Os elétrons derivam por um fio de lâmpada mais devagar que o mel escorre, e o v2/c2v^2/c^2 dessa deriva vale 102410^{-24} — e, ainda assim, a força magnética que ela produz levanta carros em ferros-velhos. Este problema faz a contabilidade completa em dois referenciais para um fio retilíneo e uma carga em movimento, e encontra a relatividade escondida em todo eletroímã. Dados: fio de cobre, seção S=1.0mm2S = 1.0\,\mathrm{mm}^{2}, corrente I=10AI = 10\,\mathrm{A}, densidade de elétrons de condução n=8.5×1028m3n = 8.5 \times 10^{28}\,\mathrm{m}^{-3}; carga de prova q=1µCq = 1\,\text{µ}\mathrm{C} à distância d=1.0cmd = 1.0\,\mathrm{cm}, movendo-se paralelamente ao fio com v=105m/sv = 10^{5}\,\mathrm{m}/\mathrm{s} (uma velocidade de feixe iônico, para manter os números visíveis); μ0=4π×107H/m\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\,\mathrm{H}/\mathrm{m}.

Parte I — A contabilidade no laboratório.

  1. Calcule a velocidade de deriva uu dos elétrons e u2/c2u^2/c^2.
  2. Modele o fio como duas cargas lineares superpostas: a rede +λ+\lambda em repouso e os elétrons λ-\lambda em deriva a uu, com I=λuI = \lambda u. Calcule λ\lambda.
  3. Calcule BB na posição da carga e a força magnética F=qvBF = qvB sobre ela — direção incluída, para vv paralelo à corrente convencional II (lembre: correntes paralelas se atraem).
  4. Por que não há força elétrica alguma no laboratório?
  5. O campo elétrico do mesmo fio se ele carregasse uma carga líquida de apenas um elétron em excesso por metro: compare a força que ele exerceria sobre qq com a força magnética da questão 3 e conclua com que precisão a “neutralidade” precisa ser medida antes de o magnetismo poder ser atribuído.
  6. Uma carga de 1µC1\,\text{µ}\mathrm{C} a 105m/s10^{5}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}: a força da questão 3 é mensurável? (Compare com o peso de um grão de areia, 106N\sim10^{-6}\,\mathrm{N}.)

Parte II — Trocando de assento. Passe ao referencial da carga de prova (velocidade vv ao longo do fio).

  1. Nesse referencial, quais são as velocidades da rede e dos elétrons (que derivam em sentido oposto a II e por isso ganham velocidade neste impulso — componha-as corretamente)?
  2. Integrada sobre a seção do fio, a quadricorrente por unidade de comprimento é (cλtot,I,0,0)(c\lambda_{\text{tot}}, I, 0, 0), com λtot=0\lambda_{\text{tot}} = 0 aqui. Transforme-a e mostre que a carga linear do fio no novo referencial é

    λ=γvvIc2.\lambda' = -\gamma_v\,\frac{vI}{c^2} .
  3. Avalie λ\lambda', em coulombs por metro e em cargas de elétron por metro. Qual das duas correntes ficou mais densa, e por quê (contraia cada uma separadamente, se preferir)?
  4. Calcule o campo elétrico E=λ/2πε0dE' = \lambda'/2\pi\varepsilon_0d na carga e a força elétrica qEqE' sobre ela.
  5. Compare qEqE' com o qvBqvB do laboratório da Parte I e explique o fator residual γv1+5.6×108\gamma_v \approx 1 + 5.6 \times 10^{-8} (a lei de transformação de qual quadrivetor relaciona as forças?).
  6. Nesse referencial há também um campo magnético (o fio continua conduzindo corrente): por que ele não exerce força aqui?

Parte III — A moral dos números.

  1. O desequilíbrio relativo λ/λ|\lambda'|/\lambda: calcule-o e escreva-o como γvvu/c2\gamma_v vu/c^2.
  2. Como um efeito da ordem de 101910^{-19} da carga do fio pode produzir uma força macroscópica? (Que número enorme ele multiplica?)
  3. Dois fios paralelos com 10A10\,\mathrm{A} cada, a 1cm1\,\mathrm{cm}: calcule a força por metro e confira contra o valor de definição 2×107I1I2/d2 \times 10^{-7}\,I_1I_2/d newtons por metro.
  4. Um eletroímã são dez mil voltas desta mesma história: estime o campo de uma bobina de 10410^{4}\, espiras por metro conduzindo 10A10\,\mathrm{A} (fórmula do solenoide do volume do primeiro ano) e a força por centímetro quadrado que ele exerce sobre o ferro (B2/2μ0\sim B^2/2\mu_0).
  5. Se a relatividade fosse desligada (cc \to \infty na transformação), o que restaria de λ\lambda', da força de BB, dos motores e dos ímãs de ferro-velho?
  6. Por que a carga de prova em repouso perto do fio não sente nada, ainda que os elétrons desfilem ao lado dela? (Que cancelamento a protege, e com que exatidão?)

Parte IV — Além do fio.

  1. O volume do segundo ano deduzia os campos magnéticos da lei de Ampère, com as correntes como fontes dadas. O que este capítulo acrescenta a essa contabilidade — o que é o campo magnético, visto deste problema?
  2. Os ímãs de ferro não têm bateria: o que faz o papel da corrente no magnetismo permanente (uma frase; a resposta microscópica honesta é quântica e espera cinco capítulos)?
  3. Um único feixe de elétrons no vácuo (sem rede): um observador que o acompanha o vê atrair ou repelir a si mesmo mais do que um observador de laboratório? Reconcilie as contabilidades dos dois referenciais para a autoconstrição de um feixe.
  4. Torne quantitativo o último ponto: mostre que dois feixes paralelos de mesma carga que se movem juntos com β\beta se repelem com uma força líquida (repulsão elétrica menos atração magnética) reduzida exatamente por 1/γ21/\gamma^2 em relação ao valor em repouso — e diga qual contabilidade torna o fator evidente.
  5. A energia de uma lâmpada chega a quase cc, enquanto seus elétrons derivam um metro por hora: o que de fato transporta a energia ao longo do fio (lembre o vetor de Poynting do volume do segundo ano)?
  6. Estime vu/c2vu/c^2 para os elétrons deste problema e uma carga de prova de pedestre (v=1m/sv = 1\,\mathrm{m}/\mathrm{s}): mesmo aí, a força é mensurável em primeira ordem com uma agulha de bússola — quem demonstrou que uma corrente desvia uma bússola, e em que ano?
  7. Resuma o resultado central: um fio neutro de 10A10\,\mathrm{A}, observado de um assento que se move a 105m/s10^{5}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, carrega 1011C/m-10^{-11}\,\mathrm{C}/\mathrm{m} de carga relativística — e esse erro de contabilidade da ordem de 102410^{-24}, devido à contração dos comprimentos, multiplicado por 102810^{28} elétrons, é a força magnética inteira do laboratório.
Solução

Solução de Problema 6.1.

1. u=I/nSe=7.4×104m/su = I/nSe = 7.4 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; u2/c2=6×1024u^2/c^2 = 6 \times 10^{-24}. 2. λ=I/u=nSe=1.36×104C/m\lambda = I/u = nSe = 1.36 \times 10^{4}\,\mathrm{C}/\mathrm{m} — catorze quilocoulombs por metro em cada corrente. 3. B=μ0I/2πd=2.0×104TB = \mu_0I/2\pi d = 2.0 \times 10^{-4}\,\mathrm{T}; F=qvB=106×105×2×104=2×105NF = qvB = 10^{-6} \times 10^{5} \times 2 \times 10^{-4} = 2 \times 10^{-5}\,\mathrm{N}, dirigida para o fio (correntes paralelas se atraem). 4. As duas cargas lineares se cancelam exatamente: λtot=0\lambda_{\text{tot}} = 0, nenhum campo em ordem zero. 5. Um elétron em excesso por metro: E=2kλ1/d=2.9×107V/mE = 2k\lambda_1/d = 2.9 \times 10^{-7}\,\mathrm{V}/\mathrm{m}, força 2.9×1013N2.9 \times 10^{-13}\,\mathrm{N}10810^8 vezes menor que a força magnética. O fio poderia esconder cem milhões de elétrons avulsos por metro antes que a eletrostática rivalizasse com o magnetismo: atribuir a força a B\vect B é seguro. 6. 2×105N2 \times 10^{-5}\,\mathrm{N} são vinte pesos de grão de areia: facilmente mensurável. 7. Rede: v-v. Elétrons (que derivam a uu em sentido oposto a II, isto é, oposto ao impulso): velocidade (u+v)/(1+uv/c2)(u + v)/(1 + uv/c^2) — mais rápidos que a rede. 8. λ=γv(λtotvI/c2)=γvvI/c2\lambda' = \gamma_v(\lambda_{\text{tot}} - vI/c^2) = -\gamma_v vI/c^2. 9. λ=105×10/9×1016=1.1×1011C/m\lambda' = -10^{5} \times 10/9 \times 10^{16} = -1.1 \times 10^{-11}\,\mathrm{C}/\mathrm{m}: cerca de 7×1077 \times 10^7 elétrons em excesso por metro. A corrente de elétrons, mais rápida neste referencial, é a mais densa — cada corrente se contrai pelo seu próprio γ\gamma. 10. E=2kλ/d=2×9×109×1.1×1011/0.01=20V/mE' = 2k|\lambda'|/d = 2 \times 9 \times 10^{9} \times 1.1 \times 10^{-11}/0.01 = 20\,\mathrm{V}/\mathrm{m}, apontando para o fio; força qE=2×105NqE' = 2 \times 10^{-5}\,\mathrm{N}, atrativa. 11. Idêntica a qvBqvB a menos do fator γv=1+5.6×108\gamma_v = 1 + 5.6 \times 10^{-8}: exatamente a lei de transformação de uma força transversal (a quadriforça), Frep=γFlabF_{\text{rep}} = \gamma F_{\text{lab}}. 12. O fio continua conduzindo uma corrente (maior), e por isso B0\vect B' \neq 0 — mas nossa carga está em repouso aqui, e um campo magnético só agarra cargas em movimento. 13. λ/λ=γvvu/c2=8.2×1016|\lambda'|/\lambda = \gamma_v vu/c^2 = 8.2 \times 10^{-16}. 14. Ele multiplica λ/e8.5×1022\lambda/e \approx 8.5 \times 10^{22} cargas elementares por metro: 8.2×1016×8.5×10227×1078.2 \times 10^{-16} \times 8.5 \times 10^{22} \approx 7 \times 10^{7} elétrons por metro — macroscópico. A matéria é tão enormemente carregada que sua neutralidade é o fio de uma navalha; a relatividade inclina a navalha. 15. F/L=μ0I1I2/2πd=2×107×100/0.01=2×103N/mF/L = \mu_0I_1I_2/2\pi d = 2 \times 10^{-7} \times 100/0.01 = 2 \times 10^{-3}\,\mathrm{N}/\mathrm{m} — a fórmula que um dia definiu o ampère. 16. B=μ0nI=4π×107×104×10=0.13TB = \mu_0nI = 4\pi\times10^{-7} \times 10^{4} \times 10 = 0.13\,\mathrm{T}; pressão magnética B2/2μ06300Pa0.6N/cm2B^2/2\mu_0 \approx 6300\,\mathrm{Pa} \approx 0.6\,\mathrm{N}/\mathrm{cm}^{2}: carros inteiros pendurados em relatividade integrada. 17. cc \to \infty mata λ\lambda' e, com ele, a força, a parte magnética do campo, os motores, os dínamos e os guindastes de ferro-velho: o magnetismo não tem existência não relativística. 18. Em repouso, a carga vê o fio neutro do laboratório: as duas correntes se cancelam com a precisão com que a matéria é neutra — conhecida experimentalmente com exatidão fantástica — e força alguma age. 19. Que a imagem das “fontes dadas” era a fatia, num único referencial, de um só tensor: B\vect B é a parte do campo eletromagnético que o movimento de um dado observador atribui a correntes, e não a cargas. 20. O spin do elétron: cada elétron é um ímã elementar (uma “corrente” intrínseca e quântica), e o ferro é a matéria em que eles se alinham — o Capítulo 12 e o Capítulo 22 retomam isso. 21. No referencial de repouso do feixe a repulsão é puramente coulombiana e máxima; no laboratório, a atração magnética das correntes paralelas quase a cancela. Sem contradição: a força transversal do laboratório é a do referencial de repouso dividida por γ\gamma, e a dinâmica mais lenta (dilatação do tempo) completa a contabilidade. 22. Força líquida no laboratório =qElabqvBlab=(1β2)qElab=FCoulomb/γ2= qE_{\text{lab}} - qvB_{\text{lab}} = (1 - \beta^2)qE_{\text{lab}} = F_{\text{Coulomb}}/\gamma^2, conforme a transformação; no referencial de repouso o fator é transparente: eletrostática pura, com a expansão observada através de um tempo dilatado. 23. O vetor de Poynting: a energia escoa pelos campos em torno dos condutores a quase cc, com os elétrons apenas a ordenando; o cobre do fio é um guia, não um cano. 24. vu/c28×1021vu/c^2 \approx 8 \times 10^{-21} — e, ainda assim, Ørsted viu sua bússola girar ao lado de um fio em 1820: o multiplicador de 102210^{22} cargas já estava em ação um século antes que alguém pudesse nomeá-lo. 25. Um fio neutro de 10A10\,\mathrm{A}, visto de 105m/s10^{5}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, carrega 1.1×1011C/m-1.1 \times 10^{-11}\,\mathrm{C}/\mathrm{m}: a diferença de contabilidade de 101610^{-16} devida à contração dos comprimentos, multiplicada por 102310^{23} cargas por metro, é a força magnética — todo o magnetismo é a relatividade auditada a passo de caracol.

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