De magnetische kracht als relativistisch bijverschijnsel

Laat zien dat de magnetische kracht ‘slechts’ een relativistisch bijverschijnsel is van de elektrische kracht.
Grafiek
Lorentz
Lorentz

We kennen de Lorentz-transformaties voor coördinaattransformaties tussen twee stelsels S en S' die met een snelheid v ten opzichte van elkaar bewegen:

Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking

Hierin is γ de Lorentz-factor:
Vergelijking
Grafiek

Er is een lading q1 en die bevindt zich ergens op t = 0. De Lorentz-transformaties vereenvoudigen voor dat specifieke moment tot:

Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking

Grafiek

De ruimtelijke afstand van q1 tot de oorsprong van S' is:

Vergelijking

Grafiek

Met behulp van de Lorentz-transformaties, de vergelijkingen (3), kan ik dit omschrijven naar r, zijnde de ruimtelijke afstand van q1 tot de oorsprong van S:

Vergelijking

Oftewel:
Vergelijking
Grafiek

De hoek die r maakt met de x-as noem ik θ, waaruit volgt:

Vergelijking

Hiermee verandert vergelijking (6) in:
Vergelijking
Grafiek

Er is ook een lading q2 en die bevindt zich in rust in de oorsprong van S'.

De Coulomb
De Coulomb

Deze lading q2 genereert uiteraard een elektrisch veld volgens de wet van De Coulomb:

Vergelijking

Bliksem
Elektrische kracht

En dit veld oefent een elektrische kracht uit op de lading q1:

Vergelijking

Ik ga deze kracht uitschrijven in componenten:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Met behulp van de vergelijkingen (3) en (8) wordt dit:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
De transformatievergelijkingen voor krachten zijn:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Dit combineer ik met de vergelijkingen (12):
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
De vergelijkingen (14b) en (14c) ga ik nu invullen in (14a):
Vergelijking
Vervolgens maak ik gebruik van het inwendig product:
Vergelijking
De snelheid v heeft alleen een x-component (daar zijn immers alle relativistische transformatievergelijkingen op gebaseerd) en daarom kan ik vergelijking (16) ook schrijven als volgt:
Vergelijking
En omdat vy = vz = 0 kan ik een trucje uithalen bij de vergelijkingen (14b) en (14c):
Vergelijking
Vergelijking
Met nogmaals het inwendig product in gedachten kan ik de vergelijkingen (17) als één vectorvergelijking samennemen:
Vergelijking
Of iets anders opgeschreven:
Vergelijking
Ik tast even in de vectortrucendoos. Voor drie willekeurige vectoren A, B en C geldt altijd:
Vergelijking
Je voelt het waarschijnlijk al aankomen, door deze vectorregel in te zetten is vergelijking (19) ook te schrijven als:
Vergelijking
Voor v = 0 wordt dit:
Vergelijking
En zo zijn we weer terug bij de wet van De Coulomb. Daarom mag ik stellen:
Vergelijking
Vergelijking (21) wordt dan:
Vergelijking
Ik stel:
Vergelijking
Dit stop ik in de vorige vergelijking waardoor we uiteindelijk uitkomen bij deze vergelijking:
Vergelijking
En zo heb ik zonder ook maar één keer het woord “magnetisme” te gebruiken de formule voor de Lorentz-kracht afgeleid:
Vergelijking
Door nauwgezet alle relativistische transformatievergelijkingen in te zetten (uitgaande van de elektrische kracht) komt de magnetische kracht vanzelf bovendrijven, het is niets meer of minder dan iets wat relativistisch bij de elektrische kracht hoort. Oftewel, een relativistisch bijverschijnsel van de elektrische kracht. En waarom gebruik ik het woord “bijverschijnsel”? Omdat de snelheden u en v per definitie (veel) kleiner zijn dan de lichtsnelheid c zal de magnetische kracht altijd (veel) kleiner zijn dan de elektrische kracht.
Zonnevlam
Een zonnevlam, een samenspel van elektrische - en magnetische
krachten, dus eigenlijk één kluwen elektrische krachten
kompas

En jawel, ook een kompasnaald reageert in essentie op een elektrisch veld, maar dat veld heeft zich relativistisch vermomd als een magnetisch veld.