Transformationsverhalten der Ströme und Felder

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Transformationsverhalten der Ströme und Felder

Ziel: Ko- / Kontravariante Schreibweise der Elektrodynamik im Vakuum

Grund: Die klassische Elektrodynamik ist bereits eine Lorentz- invariante Theorie !!

Historisch gab die Maxwellsche Elektrodynamik und nicht die Mechanik den Anstoß zur Relativitätstheorie überhaupt !

Ladungserhaltung aus Kontinuitätsgleichung:

Somit gewinnen wir aber ebenfalls wieder einen Lorentz- Skalar, nämlich

in Viererschreibweise. Die Vierer- Stromdichte ist

ebenfalls ein kontravarianter Vierer- Vektor . Er heißt Vierer- Stromdichte. Die Kontinuitätsgleichung ist gleich

Forderung: Ladungserhaltung soll in allen Inertialsystemen gelten ! ->

muss sich wie ein Vierervektor transformieren, damit das Skalarprodukt Lorentz- invariant ist !:

Also gilt für Ladungs- und Stromdichten:

Merke: Es sollte kein Missverständnis geschehen: Ist ein Vektor in ein Lorentz- invariantes Skalarprodukt verwickelt, so ist es ein Vierervektor. Damit ist klar: Seine Komponenten transfornmieren nach der Lorentz- Trafo. Dadurch aber ist die Trafo für seine Komponenten, die Beispielsweise Ladungs- und Stromdichten sind, gefunden.

4- Potenziale:

Die Potenziale sind in der Lorentz- Eichung Lösungen von

Zusammen:

Da Vierervektoren sind ( wie Vierervektoren transformieren), muss auch wie ein Vierervektor transformieren. Denn: Der d´Alembert- Operator ist Lorentz- invariant:

lorentz- invariant !:

Nun: Lorentz- Eichung:

Lorentz- Eichung <-> Lorentz- Invarianz ( Gegensatz zur Coulomb- Eichung)

Umeichung:

Also:

Felder E und B:

Die anderen Komponenten gewinnt man durch zyklische Vertauschung:

Diese Gleichungen werden zusammengefasst durch den antisymmetrtischen Feldstärketensor:

Wegen der Antisymmetrie hat nur 6 unabhängige Komponenten !

Das bedeutet, die Raum- Raum- Komponenten entsprechen

während die Raum- zeit- Komponenten:

erfüllen.

Lorentz- Trafo der Felder:

Der Feldstärketensor ist kovariant und transformiert demnach über die inverse Lorentz- Transformation. Das heißt: Für die Transformation in ein in x- Richtung mit konstanter Geschwindigkeit bewegtes System K´ gilt:

Damit läßt sich nun das uns unbekannte Transformationsverhalten der Felder und berechnen, die auch kovariant transformieren müssen. Dabei sollte keinesfalls die Summation über die Indices auf der rechten Seite vergessen werden !!

Zusammenfassung

Elektrische und magnetische Felder werden beim Übergang zwischen verschiedenen Inertialsystemen ineinander transformiert !

Umeichung:

Somit:

Homogene Maxwell- Gleichungen

Mit

+ zyklisch in (123)

innere Feldgleichung für E- Feld

  1. Komponente

und zyklisch (023)

zyklische Permutation 1 -> 2 -> 3 -> 1 und mit

liefert:

Zusammenfassung der homogenen Maxwellgleichungen

Die "4- Rotation" des Feldstärketensors verschwindet !

Levi- Civita- Tensor: +1 für gerade Permutation von 0123 -1 für ungerade Permutation von 0123 0, sonst

Bemerkungen

  1. Levi- Civita ist vollständig antisymmetrisch ( per Definition).
  1. transformiert unter Lorentz- Trafo

Damit nun der Levi- Civita- Tensor invariant unter Lorentz- Trafos wird, also

, muss vereinbart werden, dass die Transformation lautet

Damit ist der Tensor aber ein Pseudotensor !

Insgesamt ist die vierdimensionale Schreibweise die gleiche Formalisierung wie im Dreidimensionalen:

Mit Pseudovektor