[论文解读] Electromagnetic Forces and Fields in a Rotating Reference Frame

Jr Paul N. Arendt|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 1998

Geophysics and Sensor Technology参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文推导了在旋转参考系中的电磁场方程和修正的洛伦兹力定律，表明相对论质量效应在力方程中引入了一个额外项。分析揭示了一个相关能量项，该能量项可使系统在共转过程中获得惯性，从而为改进脉冲星磁层模型以更好地匹配观测到的制动指数提供了机制。

ABSTRACT

Maxwell's equations and the equations governing charged particle dynamics are presented for a rotating coordinate system with the global time coordinate of an observer on the rotational axis. Special care is taken in defining the relevant entities in these equations. Ambiguities in the definitions of the electromagnetic fields are pointed out, and in fact are shown to be essential in such a system of coordinates. The Lorentz force is found to have an extra term in this frame, which has its origins in relativistic mass. A related term in the energy equation, which allows inertia to be gained even during strict corotation, suggests ways existing pulsar magnetosphere models may be modified to match observed `braking indices' more closely.

研究动机与目标

• 推导具有全局时间坐标的旋转坐标系中的麦克斯韦方程组和带电粒子动力学。
• 澄清在非惯性旋转参考系中定义电磁场时存在的模糊性。
• 识别并解释由于相对论质量效应导致洛伦兹力定律中出现额外项的来源。
• 探讨该额外项如何影响共转系统中的能量守恒和惯性。
• 建议对现有脉冲星磁层模型进行修改，以更好地匹配观测到的制动指数。

提出的方法

• 采用一个由旋转轴上观测者定义的具有全局时间坐标的旋转参考系。
• 使用张量形式和相对论形式在非惯性坐标中重新表述麦克斯韦方程组和洛伦兹力定律。
• 识别在旋转参考系中模糊但对一致性至关重要的场定义。
• 通过四力形式推导出由于相对论质量效应在洛伦兹力中引入的额外项。
• 分析能量方程，表明即使在严格共转过程中，由于该额外项的存在，惯性仍可获得。
• 将推导出的形式体系应用于脉冲星磁层，提出一种机制以调整制动指数的预测值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有全局时间坐标的旋转参考系中，麦克斯韦方程组和洛伦兹力定律如何变换？
• RQ2 在旋转参考系中，电磁场定义的模糊性来源及其物理解释是什么？
• RQ3 该参考系中洛伦兹力定律的额外项的来源和意义是什么？
• RQ4 修正后的能量方程如何允许在共转过程中获得惯性？
• RQ5 该形式体系能否改善理论脉冲星制动指数与观测结果的一致性？

主要发现

• 在旋转参考系中，洛伦兹力定律中出现了一个额外项，其来源是四力形式中相对论质量效应。
• 在旋转参考系中电磁场定义的模糊性并非人为误差，而是坐标系的本质特征。
• 能量方程中包含一个项，使得即使在严格共转过程中也能获得惯性，这与经典预期相悖。
• 该额外项为修改现有脉冲星磁层模型以更好地匹配观测制动指数提供了物理解释机制。
• 该形式体系与非惯性参考系中的相对论电动力学一致，并为重新评估旋转天体物理系统提供了框架。
• 结果表明，标准脉冲星自转减慢模型可能需要修正，以考虑旋转参考系中相对论惯性效应的影响。