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¿Cómo puede haber momento lineal neto en un campo electromagnético estático (que no se propaga)?

Entiendo que a partir de consideraciones básicas de conservación de energía y momento, está claro en la electrodinámica clásica que los campos deberían poder tener energía y momento. Esto conduce a las relaciones habituales del vector de Poynting y la densidad de energía para los campos electromagnéticos.

Sin embargo, no sé cómo interpretar las situaciones en las que existe un momento lineal neto en un campo electromagnético estático. Los campos no se propagan. Para mí no tiene sentido que el momento pueda separarse del movimiento.

Como ejemplo concreto para debatir: Consideremos una cuerda sin masa de longitud L, con una envoltura esférica en cada extremo con un momento dipolar magnético m y carga positiva q. El radio de la esfera RL, o, alternativamente, considerar que los dipolos son dipolos "puntuales" perfectos. Sea la cuerda a lo largo de y eje, con un dipolo en el origen y el otro en y=+L. Si el dipolo magnético en el origen está orientado en la dirección z y el otro dipolo en la dirección +z dirección, si calculas el momento lineal total en los campos, la respuesta es:

pem=mqμ02πL2ˆx

Aunque se trata de un equilibrio inestable, es un equilibrio. Así que, clásicamente, el estado puede permanecer estático sin necesidad de evocar otras entidades externas, interacciones, etcétera. Así que no parece que haya ninguno de los potenciales escollos habituales que nos salven aquí.

Por favor, ¿alguien puede explicar cómo un campo estático puede tener momento?

18voto

Richard West Puntos 2363

Es una pregunta bastante sutil. Griffiths ha publicado recientemente un artículo al respecto.

Momento oculto, momento de campo e impulso electromagnético :

Los campos electromagnéticos transportan energía, momento y momento angular. La densidad de momento, ϵ_{0}(E\times B) Cuentas (entre otras cosas) la presión de la luz. Pero incluso los campos estáticos pueden llevar el momento, y esto parecería contradice el teorema general de que el momento total de un sistema cerrado es cero si su centro de energía está en reposo. En tales casos, debe haber otros momentos (no electromagnéticos) que anulen el momento de campo campo. ¿Cuál es la naturaleza de este "momento oculto" y qué le ocurre cuando se apagan los campos electromagnéticos?

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13voto

Henrik Paul Puntos 22787

Es posible demostrar que el momento total de cualquier sistema estático es cero en un marco de inercia en el que nada se mueve. Esto no significa que los momentos asociados a varios componentes de ese sistema sean individualmente cero. Como señalas, puede haber un momento electromagnético finito asociado a distribuciones de carga estática. Aunque no haya movimiento obvio en el sistema, el momento asociado a la distribución de materia es en realidad distinto de cero. Es igual y opuesto al momento electromagnético.

A menudo se denomina momento mecánico oculto. Es un caso especial de un resultado mucho más general según el cual el momento neto de un objeto extendido no tiene por qué ser paralelo a la velocidad de su centro de masa.

Los libros de electrodinámica como Griffiths o Jackson tienen una buena interpretación microscópica de este efecto en el caso simple de un dipolo magnético colocado cerca de una carga. Internamente, puede considerarse que el dipolo contiene un bucle de corriente. Las cargas en este bucle de corriente se aceleran y desaceleran en respuesta al campo eléctrico externo. Se puede demostrar que esto les da un momento neto que es exactamente igual y opuesto al momento electromagnético. Obsérvese que se trata de un efecto intrínsecamente relativista. No surge si se desprecian los factores de Lorentz al calcular los momentos de las cargas circulantes.

5voto

hhh Puntos 154

El Momento Nulo en configuración de campo estático es en realidad algo bueno. Consideremos un cable coaxial que transporta corriente continua y tensión. Internamente tiene un campo E y H constante. El flujo de Poynting es distinto de cero y muestra que hay transporte de energía. El flujo de energía es de hecho en la dirección ExH.

El hecho de que la configuración del campo no muestre movimiento es irrelevante. El impulso es energía en movimiento, ¡no otra cosa en movimiento!

-- Jos

1voto

Yonatan Broza Puntos 95

Creo que el problema aquí es que la "cuerda sin masa" en realidad requiere fuerzas electromagnéticas para mantener unidas las dos cargas. Mis cálculos preliminares (que necesito refinar pero que creo que son fundamentalmente correctos) muestran que si sustituyes la cuerda por una carga de -(1/4)q a medio camino entre las dos cargas de q, la integral de ExB es cero. Esta carga adicional daría lugar a un equilibrio electrostático y suministraría la fuerza electrostática no suministrada matemáticamente por la cuerda sin masa.

-4voto

Bagrat Puntos 81

El momento es una magnitud que se conserva pertenece a un sistema. Cuando las partículas están en movimiento, los momentos lineal y angular habituales

En la imagen del dipolo de la molécula de agua aquí Momento_dipolar_eléctrico WP se ve que la molécula está sometida permanentemente a una tensión (roja en la imagen).

La definición del Momento dipolar eléctrico

es una medida de la separación de cargas eléctricas positivas y en un sistema de cargas, es decir es decir, una medida de la polaridad del sistema de cargas.

En el caso simple de dos puntos una con carga +q y otra con carga con carga -q, el momento dipolar eléctrico eléctrico p es:

momento dipolar ~ carga * distancia (de cargas)

compárelo con Momento angular

momento angular ~ momento lineal * distancia (a un punto)

donde momento lineal ~ masa * velocidad como tanto la carga como el m.l. son estados de la partícula en un momento dado que representan un potencial de acción, ambas fórmulas de momentos angular y dipolar son bastante similares.

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