유도완성

전자기장 변환 유도 (Derivation of Electromagnetic Field Transformation)

유도의 목표

관성 기준틀 SS에서 전자기장이 (E,B)(\mathbf{E}, \mathbf{B})일 때, SS에 대해 속도 v\mathbf{v}로 운동하는 기준틀 SS'에서의 전자기장 (E,B)(\mathbf{E}', \mathbf{B}')를 구합니다.

텐서 변환 법칙

유도전자기장 텐서의 로렌츠 변환

FμνF^{\mu\nu}는 2계 반변 텐서이므로 로렌츠 변환에 대해:

Fμν=ΛμαΛνβFαβF'^{\mu\nu} = \Lambda^\mu{}_\alpha\, \Lambda^\nu{}_\beta\, F^{\alpha\beta}

xx 방향의 부스트에 대한 로렌츠 변환 행렬:

Λμν=(γγβ00γβγ0000100001)\Lambda^\mu{}_\nu = \begin{pmatrix} \gamma & -\gamma\beta & 0 & 0 \\ -\gamma\beta & \gamma & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

F01F'^{01} 계산 (ExE'_x 성분):

F01=Λ0αΛ1βFαβF'^{01} = \Lambda^0{}_\alpha \Lambda^1{}_\beta F^{\alpha\beta}

=Λ00Λ10F00+Λ00Λ11F01+Λ01Λ10F10+Λ01Λ11F11= \Lambda^0{}_0 \Lambda^1{}_0 F^{00} + \Lambda^0{}_0 \Lambda^1{}_1 F^{01} + \Lambda^0{}_1 \Lambda^1{}_0 F^{10} + \Lambda^0{}_1 \Lambda^1{}_1 F^{11}

=γ(γβ)(0)+γγF01+(γβ)(γβ)F10+(γβ)γ(0)= \gamma(-\gamma\beta)(0) + \gamma \cdot \gamma \cdot F^{01} + (-\gamma\beta)(-\gamma\beta)F^{10} + (-\gamma\beta)\gamma(0)

=γ2F01+γ2β2F10=γ2F01γ2β2F01=γ2(1β2)F01=F01= \gamma^2 F^{01} + \gamma^2\beta^2 F^{10} = \gamma^2 F^{01} - \gamma^2\beta^2 F^{01} = \gamma^2(1 - \beta^2)F^{01} = F^{01}

따라서 Ex=ExE'_x = E_x — 운동 방향의 전기장은 변하지 않습니다.

F02F'^{02} 계산 (EyE'_y 성분):

F02=Λ0αΛ2βFαβ=Λ00F02+Λ01F12F'^{02} = \Lambda^0{}_\alpha \Lambda^2{}_\beta F^{\alpha\beta} = \Lambda^0{}_0 F^{02} + \Lambda^0{}_1 F^{12}

=γF02+(γβ)F12=γ ⁣(Eyc)+(γβ)(Bz)= \gamma F^{02} + (-\gamma\beta)F^{12} = \gamma\!\left(-\frac{E_y}{c}\right) + (-\gamma\beta)(-B_z)

=γc(EyvBz)=Eyc= -\frac{\gamma}{c}(E_y - vB_z) = -\frac{E'_y}{c}

따라서 Ey=γ(EyvBz)E'_y = \gamma(E_y - vB_z).

F12F'^{12} 계산 (BzB'_z 성분):

F12=Λ1αΛ2βFαβ=Λ10F02+Λ11F12F'^{12} = \Lambda^1{}_\alpha \Lambda^2{}_\beta F^{\alpha\beta} = \Lambda^1{}_0 F^{02} + \Lambda^1{}_1 F^{12}

=(γβ) ⁣(Eyc)+γ(Bz)=γ ⁣(βEycBz)= (-\gamma\beta)\!\left(-\frac{E_y}{c}\right) + \gamma(-B_z) = \gamma\!\left(\frac{\beta E_y}{c} - B_z\right)

=γ ⁣(BzvEyc2)=Bz= -\gamma\!\left(B_z - \frac{vE_y}{c^2}\right) = -B'_z

따라서 Bz=γ ⁣(Bzvc2Ey)B'_z = \gamma\!\left(B_z - \frac{v}{c^2}E_y\right).

나머지 성분도 같은 방법으로 계산하면 완전한 변환 법칙을 얻습니다.

전자기장 변환 공식

정의5.11전자기장의 로렌츠 변환

SS'SS에 대해 xx 방향으로 속도 vv로 운동할 때:

운동 방향에 평행한 성분 (불변):

Ex=Ex,Bx=Bx\boxed{E'_x = E_x, \qquad B'_x = B_x}

운동 방향에 수직한 성분 (혼합):

Ey=γ(EyvBz),By=γ ⁣(By+vc2Ez)\boxed{E'_y = \gamma(E_y - vB_z), \qquad B'_y = \gamma\!\left(B_y + \frac{v}{c^2}E_z\right)}

Ez=γ(Ez+vBy),Bz=γ ⁣(Bzvc2Ey)\boxed{E'_z = \gamma(E_z + vB_y), \qquad B'_z = \gamma\!\left(B_z - \frac{v}{c^2}E_y\right)}

벡터 형태로 쓰면 (v=vx^\mathbf{v} = v\hat{x}일 때):

E=E,E=γ(E+v×B)\mathbf{E}'_\parallel = \mathbf{E}_\parallel, \quad \mathbf{E}'_\perp = \gamma(\mathbf{E}_\perp + \mathbf{v} \times \mathbf{B})

B=B,B=γ ⁣(Bv×Ec2)\mathbf{B}'_\parallel = \mathbf{B}_\parallel, \quad \mathbf{B}'_\perp = \gamma\!\left(\mathbf{B}_\perp - \frac{\mathbf{v} \times \mathbf{E}}{c^2}\right)

불변량의 검증

유도로렌츠 불변량의 보존 확인

제1불변량 I1=B2E2/c2I_1 = B^2 - E^2/c^2이 변환 후에도 보존됨을 확인합니다:

E2=Ex2+γ2(EyvBz)2+γ2(Ez+vBy)2E'^2 = E_x^2 + \gamma^2(E_y - vB_z)^2 + \gamma^2(E_z + vB_y)^2

B2=Bx2+γ2(By+vEz/c2)2+γ2(BzvEy/c2)2B'^2 = B_x^2 + \gamma^2(B_y + vE_z/c^2)^2 + \gamma^2(B_z - vE_y/c^2)^2

B2E2/c2B'^2 - E'^2/c^2를 전개하면, γ2\gamma^2 항들이 γ2(1v2/c2)=1\gamma^2(1 - v^2/c^2) = 1에 의해 정리되어:

B2E2c2=B2E2c2B'^2 - \frac{E'^2}{c^2} = B^2 - \frac{E^2}{c^2} \quad \checkmark

마찬가지로 EB=EB\mathbf{E}' \cdot \mathbf{B}' = \mathbf{E} \cdot \mathbf{B}도 확인할 수 있습니다.

물리적 응용

예제움직이는 전하의 자기장

양의 점전하 qqSS'에서 정지해 있습니다.

SS' (전하 정지): E=q4πϵ0r^r2,B=0\mathbf{E}' = \frac{q}{4\pi\epsilon_0}\frac{\hat{\mathbf{r}}'}{r'^2}, \quad \mathbf{B}' = 0

SS (전하가 vx^v\hat{x}로 운동): 변환 공식 적용:

Ex=Ex,Ey=γEy,Ez=γEzE_x = E'_x, \quad E_y = \gamma E'_y, \quad E_z = \gamma E'_z

Bx=0,By=γvc2Ez,Bz=γvc2EyB_x = 0, \quad B_y = -\frac{\gamma v}{c^2}E'_z, \quad B_z = \frac{\gamma v}{c^2}E'_y

벡터로 합치면:

B=v×Ec21γ(좌표 보정)\mathbf{B} = \frac{\mathbf{v} \times \mathbf{E}}{c^2} \cdot \frac{1}{\gamma} \cdot (\text{좌표 보정})

비상대론적 극한 (vcv \ll c, γ1\gamma \to 1):

Bμ04πqv×r^r2\mathbf{B} \approx \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{q\mathbf{v} \times \hat{\mathbf{r}}}{r^2}

이것은 비오-사바르 법칙의 점전하 버전입니다! 자기장은 전기장의 상대론적 변환에서 자연스럽게 나타납니다.

예제평행한 전류가 끌어당기는 이유

두 평행한 도선에 같은 방향으로 전류가 흐를 때 서로 끌어당깁니다. 이것을 상대론적으로 이해할 수 있습니다.

도선의 정지 기준틀 SS: 양이온은 정지, 전자가 유동 속도 vdv_d로 이동. 전기적으로 중성이므로 순전기력 없음. 자기력만 작용.

유동 전자의 기준틀 SS': 전자는 정지. 양이온이 vd-v_d로 이동. 로렌츠 수축에 의해 양이온의 선전하밀도가 증가하고 전자의 선전하밀도가 감소합니다:

λ+=γλ+,λ=λ/γ\lambda'_+ = \gamma\lambda_+, \quad \lambda'_- = \lambda_-/\gamma

SS에서 λ+=λ\lambda_+ = \lambda_-였으므로 SS'에서 λ+>λ\lambda'_+ > |\lambda'_-|: 순양전하 발생!

SS'에서는 순수한 전기적 인력이 작용합니다. SS에서의 자기력과 SS'에서의 전기력은 동일한 물리적 현상의 서로 다른 기술입니다.

참고비상대론적 극한

vcv \ll c (γ1\gamma \approx 1)에서 변환 공식은:

EE+v×B\mathbf{E}' \approx \mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B}

BBv×Ec2\mathbf{B}' \approx \mathbf{B} - \frac{\mathbf{v} \times \mathbf{E}}{c^2}

첫 번째 식은 운동하는 관찰자가 자기장을 전기장으로 "느끼는" 효과를 보여줍니다. 이것이 패러데이의 전자기 유도 법칙의 상대론적 기원입니다: 도체가 자기장 속에서 움직이면, 도체 기준틀에서 전기장이 나타나 전류를 유도합니다.