Два металлических проводника с токами одного направления притягиваются, а два параллельных потока свободных электронов одного направления в вакууме отталкиваются. как в первом, так и во втором случаях происходит направленное движение свободных электронов, однако характер наблюдаемых явлений различный. почему?

Различие в поведении токов в металлических проводниках и свободных электронных пучков в вакууме объясняется наличием или отсутствием электрической нейтральности системы. Для понимания этого явления необходимо рассмотреть баланс двух сил: магнитной силы (силы Ампера/Лоренца) и электрической силы (кулоновской силы). 1. Металлические проводники В металлическом проводнике поток электронов движется сквозь кристаллическую решетку, состоящую из положительно заряженных ионов.

• Электрическое взаимодействие: Суммарный электрический заряд проводника равен нулю, так как отрицательный заряд свободных электронов точно скомпенсирован положительным зарядом ионов решетки. Поэтому между двумя проводниками отсутствует кулоновское отталкивание.
• Магнитное взаимодействие: Движущиеся электроны создают вокруг проводников магнитные поля. Согласно закону Ампера, параллельные токи одного направления притягиваются.
• Итог: Поскольку электрическая сила равна нулю, проявляется только магнитное притяжение. Проводники сближаются.

2. Потоки электронов в вакууме В случае двух параллельных пучков электронов в вакууме ситуация кардинально меняется из-за отсутствия положительного «фона» (ионов).

• Электрическое взаимодействие: Каждый пучок обладает избыточным отрицательным зарядом. Между пучками возникает мощная кулоновская сила отталкивания.
• Магнитное взаимодействие: Как и в случае с проводниками, движущиеся электроны создают магнитные поля, которые стремятся сблизить пучки (сила Лоренца).
• Соотношение сил: В классической электродинамике сила магнитного взаимодействия $F_m$ связана с силой электрического взаимодействия $F_e$ через скорость движения частиц $v$ и скорость света $c$:

$F_m=F_e\cdot \frac{v^2}{c^2}$ Поскольку скорость электронов $v$ всегда меньше скорости света $c$, магнитное притяжение всегда оказывается слабее электрического отталкивания.

• Итог: Электрическое отталкивание доминирует над магнитным притяжением, и пучки разлетаются в разные стороны.

Сводная таблица

Если вам интересно рассмотреть этот вопрос с точки зрения теории относительности (где магнитное поле трактуется как релятивистский эффект электрического), я могу подготовить для вас соответствующее математическое описание.