Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
Поскольку понимание фундаментальной взаимосвязи между электрическими и магнитными полями существенно для правильной интерпретации биологических реакций на воздействие геомагнитного поля, рассмотрим некоторые основные представления. Первое и самое главное из них заключается в том, что электрические и магнитные поля связаны друг с другом. Они являются компонентами одного и того же электромагнитного поля, пространственные и временные характеристики которого будут казаться различными двум или нескольким наблюдателям, движущимся относительно друг друга. Поэтому важно, чтобы каждый наблюдатель измерял все физические величины приборами, располагающимися в его собственной системе отсчета, т. е. приборами, неподвижными по отношению к нему.
Электромагнитная сила F4, которая действует на заряд q, движущийся со скоростью v в электрическом поле Е и магнитном поле В, равна:
F, = q(E + к\ х В), (1)
где крестик означает векторное произведение, к-постоянная, зависящая от используемой системы единиц. В электромагнитной (СГСМ) и электростатической (СГСЭ) системах, а также в системе МКС к = 1, а в системе СГС к = 1/с. Таким образом, электрическая сила, действующая на q, коллинеарна Е, а магнитная, или сила Лоренца, перпендикулярна как v, так и В. Уравнение (1) справедливо для всех наблюдателей независимо от их относительных движений. Однако величины и направления векторов Vq, Е, v и В будут в общем случае различны для разных наблюдателей. Из-за инвариантности заряда q является одним и тем же для всех наблюдателей, и изменение знака q меняет на противоположное направление силы F,. Для биологически значимых скоростей разница в F и В в случае разных наблюдателей пренебрежимо мала.
Чтобы понять, почему наблюдатель, движущийся в магнитном поле, «видит» электрическое поле, посмотрим, что происходит с электрическим зарядом q, движущимся параллельно длинному прямому проводнику. Исследуем этот вопрос для двух случаев - во-первых, с точки зрения наблюдателя, неподвижного по отношению к проводу (рис. 3.1, А), а во-вторых, с точки зрения наблюдателя, неподвижного по отношению к заряду (рис. 3.1, Б). Поскольку известно, что все электрические поля создаются электрическими зарядами, а все магнитные поля возникают как следствие электрических токов, эта проблема равносильна сравнению электрических и магнитных полей, воздействующих на сидящего на насесте голубя, и полей, которым подвергается голубь, улетающий с насеста.
Рассмотрим голубя на насесте, который видит неподвижный провод, по которому течет ток I справа налево, как показано на рис. 3.1, А. Провод незаряжен, так что электрическое поле вокруг него отсутствует (Е = 0). Ток I создает магнитное поле В, силовые линии которого закручиваются вокруг провода по часовой стрелке, если смотреть по направлению тока. (Магнитная силовая линия-это кривая, направление которой в каждой точке определяет направление вектора магнитного поля в этой точке.)
Поместим вблизи провода отрицательный заряд q, который движется со скоростью \q параллельно проводу (рис. 3.1, А). Неподвижный голубь не обнаружит электрической силы, действующей на заряд, но «почувствует» магнитную силу q\q х В, направленную к проводу. Рассмотрим теперь второго голубя, летящего вместе с зарядом q. Такой голубь также обнаружит магнитное поле В, но не заметит магнитной силы, действующей на q, потому что заряд q по отношению к нему покоится (рис. 3.1, Б). Однако оба голубя «увидят», что заряд q испытывает ускорение, направленное к проводу. Следовательно, летящему
Е
Рис. 3.1. Сила, действующая на отрицательный заряд q вблизи проводника, в котором течет ток I, создающий магнитное поле В. А. Проводник неподвижен относительно наблюдателя, a q движется со скоростью vq. Б. Заряд q неподвижен относительно наблюдателя, а проводник движется со скоростью vw = — v„.
голубю провод покажется положительно заряженным и создающим электрическое поле Е = vq х В, которое притягивает отрицательный заряд q к проводу. Почему провод заряжен? Ответ весьма прост. Электрические токи должны образовывать замкнутые петли, так что проводник на рис. 3.1 должен быть частью большого замкнутого контура. Для летящего голубя провод около q движется со скоростью vw = — yq в магнитном поле, создаваемом током удаленной части контура. В действительности каждая часть контура движется в магнитном поле, создаваемом током на противоположной его стороне. Результирующие магнитные силы, которые действуют на заряды, присутствующие в проводе, приведут к тому, что положительные заряды соберутся в проводе около q, а отрицательные-в проводе на удаленной стороне контура.
Некоторые читатели могут не согласиться с точкой зрения летящего голубя. Поскольку движущийся контур переносит свое магнитное поле с собой, здесь не происходит относительного движения магнитных силовых линий и зарядов в проводе. Следовательно, «заключение» голубя о том, что на заряд q действует электрическое поле со стороны положительно заряженного провода, неверно. В действительности происходит следующее: движение магнитных силовых линий по отношению к q приводит к появлению силы, действующей на этот заряд. Однако экспериментально такой ход рассуждений не подтверждается. Если каждого голубя снабдить прибором, измеряющим электрическое поле, у летящего голубя стрелка на приборе отклонится, а у покоящегося останется неподвижной. «Воображаемое» электрическое поле летящего голубя оказывается вполне реальным.
