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Productos cruzados / evitando usar su mano para la regla de la mano derecha en E y M

Actualmente estoy aprendiendo electromagnetismo y me estoy poniendo muy molesto el uso de un físico de la mano para lograr la regla de la mano derecha. Lo entiendo, yo he visto los diagramas, y he resuelto problemas con ella, pero aún así de alguna manera me lío porque yo en la curva de un dedo o de la torcedura de la muñeca de un modo extraño. Estoy cansado de mi mano.

Así que mi pregunta es puedo encontrar enteramente una base matemática para esto?

Digamos que para cualquier diagrama I definir el positivo $x$ como eje a la derecha, el positivo $y$ eje como el de ir y el positivo $z$ eje como entrar en la página. Luego me hizo vectores unitarios para todo, para determinar el componente que falta?

Como yo lo entiendo $\vec{F} = q (\vec{V}\times\vec{B})$ y con esa definición estoy seguro de que he podido averiguar la dirección del campo eléctrico dada la velocidad de una partícula de carga y el campo magnético, pero ¿cómo puedo arreglar esto para que yo pueda resolver por otras variables? Por ejemplo, ¿qué $\vec{B}$ , equivalente en términos de producto cruzado que implican $\vec{V}$ e $\vec{F}$?

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hft Puntos 3214

Así que mi pregunta es puedo encontrar enteramente una base matemática para esto?

Digamos que para cualquier diagrama I definir el eje x positivo como ir a la derecha, el eje y positivo como el de ir y el eje z positivo como entrar en la página. Luego me hizo vectores unitarios para todo, para determinar el componente que falta?

La "regla de la mano Derecha" es un convenio, tanto para la cruz de productos de y para x-y-z sistemas de coordenadas. En pre-guerra en Alemania era común el uso de un zurdo sistema de coordenadas donde si x mayor "a la derecha" e y una mayor "de la página" entonces z AUMENTADO "en la página". Sin embargo, hoy en día esto es muy raro y usamos la mano derecha sistemas de coordenadas donde si aumenta x "a la derecha" y el eje y "de la página", a continuación, z aumenta "de la página".

Claramente (?) no hay nadie intrínsecamente "correcta" convención.

Pero, como se indicó anteriormente, hoy en día se utilizan casi exclusivamente el derecho de coordenadas de mano-convenio donde $$ \hat x \times \hat y = \hat z\;. $$

Dado lo anterior convenio puede "matemáticamente" calcular productos cruzados.

Por ejemplo, si $$ \vec V = |V|\sombrero x $$ y $$ \vec B = |B|\sombrero y $$ entonces $$ F = q|V||B|\sombrero z $$ porque, por convención: $$ \hat x \times \hat y = \hat z\;. $$


Actualización (por los comentarios):

El ejemplo anterior se hace uso de la mano derecha de la regla para $\hat x \times \hat y$. Pero, en general, usted encontrará también a estas otras dos reglas útiles: $$ \hat z \times \hat x = \hat y $$ $$ \hat y \times \hat z = \hat x $$

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user196418 Puntos 6

También puede usar determinantes: $$ \begin{vmatrix} i&j&k\\ v_x&v_y&v_z\\ B_x&B_y&B_z \end {vmatrix} $$ enchúfelos y haga un determinante y obtendrá el producto cruzado correcto.

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trlovejoy Puntos 33

En realidad es posible(*) para encontrar una puramente algebraica de la forma de analizar tales problemas matemáticamente, sin utilizar las manos o dispositivos equivalentes. El método es realmente muy estrechamente relacionado con ggcg la respuesta, a pesar de que se verá muy diferente. Y va más allá de que por el hecho de prescindir de la cruz del producto en su totalidad, y reemplazarlo con lo que llamamos la "cuña" o "exterior" del producto. En lugar de tomar dos vectores y obtener otro vector de ella, como en $\vec{a} \times \vec{b}$, cuando se toma el producto exterior de obtener un plano: la cuña de producto $\vec{a} \wedge \vec{b}$ representa el plano atravesado por $\vec{a}$ e $\vec{b}$, que es ortogonal a los vectores $\vec{a} \times \vec{b}$. Por otra parte, existe también un "sentido" de este plano, que sustituye a la mano derecha de la regla, y está relacionado con el orden en el que tomar el producto: $\vec{b} \wedge \vec{a}$ representa exactamente el mismo avión, excepto con el otro "sentido", así como la $\vec{b} \times \vec{a}$ representa el mismo vector en la dirección opuesta. Puede reescribir expresiones para cosas como la fuerza de Lorentz de la ley y rotaciones (y todo lo demás en la física que utiliza un producto cruzado) con la cuña del producto, y todo simplemente funciona de maravilla. Pero en este caso, en lugar de utilizar la mano derecha de la regla, usted sólo tiene que decidir sobre un pedido para sus vectores de la base: ¿el fin de ellos como $(\vec{x}, \vec{y}, \vec{z})$, o como $(\vec{x}, \vec{z}, \vec{y})$, por ejemplo? Hacer una elección para que el pedido le permite especificar completamente todo lo necesario, expanda en la base, y calcular la cuña producto correctamente, sin referirse a mano.(**)

Este enfoque es sólo una pequeña parte de algo llamado "álgebra geométrica". Una característica interesante de este enfoque es que realmente se generaliza a otras dimensiones. En dos dimensiones, se obtiene una mejor comprensión de los complejos de álgebra. En cuatro dimensiones, puede utilizar la misma técnica de la relatividad especial con más facilidad. Esto es en realidad sólo una coincidencia que el producto cruzado funciona incluso en tres dimensiones; si usted quiere algo que va a trabajar en tres dimensiones y de cualquier otra dimensión, se tiene que ir a la cuña del producto.

El álgebra geométrica realmente es una muy buena enfoque pedagógico, y todos estaríamos mejor si todo el mundo podría usar, y la zanja de productos cruzados para siempre. Por desgracia, eso no va a ocurrir mientras usted es un estudiante. Así que, aunque me animo a aprender álgebra geométrica, y yo apuesto a que usted desea realmente obtener mejoras en la física si lo haces, recuerda que probablemente usted todavía se les enseñe y se les pide utilizar productos cruzados.


(*) Sólo tengo que prescindir de algunos consejos prácticos aquí. Suena como que usted está relativamente nueva (y probablemente talento) estudiante de física. Físicos (incluidos los profesores) son todos muy familiarizados con los diversos problemas que con la mano derecha de la regla. Y es lamentable. Me gustaría que no fuera así, pero como puramente prácticos, si usted se pega con la física que usted necesita para mantener la interacción con el producto cruzado por al menos otro par de años. Así que mi consejo es que se pega con él, y ser realmente bueno en usa correctamente. No es tan difícil, y tal vez voy a ejercitar tu cerebro en formas que vienen en handy.

(**) Es cierto que usted podría eventualmente necesidad de relacionar su elección particular de las direcciones a la idea de alguien de la "correcta" de orientación. Básicamente, usted necesita para hacer su elección de un ordenamiento coherente con su elección, la cual probablemente se basa en el derecho-regla de la mano. Sin embargo, a menos que la pregunta pide específicamente que la orientación, se puede muy bien utilizar un zurdo de orientación y aún así obtener respuestas correctas (por ejemplo, la fuerza va en o fuera de la página, etc.) el uso de la cuña del producto.

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user52817 Puntos 301

De hecho, la definición de la cruz-producto está inextricablemente ligada a la elección de la orientación para las tres dimensiones del espacio vectorial. Localmente, nos comunicamos a la diferencia entre la derecha y la mano izquierda orientaciones con señales visuales. La mayoría de los seres humanos son "la mano derecha", o podemos hacer referencia al sentido de rotación de la luna, la tierra, o de la esfera celeste, etc. Por tales señales visuales y convenciones, comunicamos el "preferido" de la definición de la cruz-producto.

Ahora imagine que usted podría tener una conversación con alguien que desde muy distante del universo, con la regla de que toda la comunicación tenía que ser por mensajes de texto con una secuencia de 0s y 1s--por lo que no emojis, ni fotos, etc. Podría usted realmente comunicar nuestros locales preferidos de la convención? Eso no está tan claro. Tal vez un texto de discusión acerca de la fuerza débil podría lograr esto. Pero matemáticamente, no hay ningún mecanismo para universalmente distinguir una de las dos orientaciones.

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Dan Herbert Puntos 38336

Yo prefiero el enfoque de álgebra lineal para cruzar productos.

$$ \begin{aligned} \boldsymbol{F} & = q \left( \boldsymbol{v} \times \boldsymbol{B} \right) \\ & = q \left( [\boldsymbol{v} \times] \boldsymbol{B} \right) \\ & = q \begin{bmatrix}0 & -v_z & v_y \\ v_z & 0 & -v_x \\ -v_y & v_x & 0 \end {bmatrix} \begin{bmatrix} B_x \\ B_y \\ B_z \end {bmatrix} \\ & = \begin{bmatrix} q(v_y B_z - v_z B_y) \\ q(v_z B_x - v_x B_z) \\ q(v_x B_y - vy B_x) \end {bmatrix} \ end {alineado} $$

donde $[\boldsymbol{r}\times] $ es el operador de matriz de producto cruzado asimétrico de 3 × 3 . Se define como:

PS

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