Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  4, N o . 2 ,  A p r il  201 4, p p 23 1 ~ 23 I S SN : 208 8-8 7 0 8           2 31     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Interpretation of Modified  Electromagnetic Theory and  Maxwell ' s Equati ons on t h Basis of Charge Variation      Asif Ali  Lag h a r Departem ent  of  Ele c troni cs  Eng i neering ,  M e hr an  Un iversity  of Engineer ing  an d Techno log y Pak i stan       Article Info    A B STRAC Article histo r y:  Received Dec 13, 2013  Rev i sed   Jan 27, 201 Accepte Fe b 6, 2014      Ele c trom agnet i c  waves  are th anal yt ic al solutions of Maxwell's equations   that r e pres en one of th e m o s t  eleg ant  and  concis e w a y s   t o  s t ate  the   fundamentals of  electricit y   and magnetism. From  them one can develop most   of the working  r e la tionships in  t h e el ec tric  and  m a gnetic   fields. Considering   deepl y   the  effe ct  of charg e  v a ria t ion  in Maxwell’ s equations for  time var y ing   electric and m a gnetic fields  of ch arges  in  moving inertial frame, th magnitude of  ch arge p a rticles v a r y  a ccord ing to  Asif’s equation  of ch arg e   variation. Consequently  th e Maxwell’s e quations give differ e nt r e sults to an   obs erver m eas ur ing at r e s t This   res earch  paper  explain e d the  effect of ch arge  varia tion in  C l assica l El ec tro m a gnetic theor y , Maxwell’s equations,  Coulum b’s  law, Lorentz forc e law when we are referring to  an y  in erti al   frame.  Keyword:  C oul om b’s f o r c e     Electric field    Electrom a gnetic force    El ect rom a gnet i c  wa ves   Max w ell’s equatio n   Copyright ©  201 4 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Asif Ali  Lag h a ri,   Depa rtem ent of Electr oni cs  E ngi neeri n g ,   M e hra n   Uni v er si t y  of E n gi nee r i n g a n d  Tech n o l o gy , Jam s ho r o Paki st a n   Em a il: asifali_ l e g h a ri@yahoo .co m       1.   INTRODUCTION   Max w ell’s equatio n  are a set o f  p a rtial d i fferen tial  eq u a ti o n s  th at, tog e t h er with  th e Lo ren t z force  law, form  the  foundation of classical  electr ody nam i cs, cla ssical optics, a nd electric circ uits. These fiel ds in  turn underlie  m odern electri cal and  communications te c h nol ogi es . M a x w el l ' s equat i o n s  desc ri be  h o w  el ect ri and m a gnetic fields are  ge ne rated a n d altered  by each  other and  by c h arges a n curre nts. They a r na m e aft e r t h Scot t i sh  phy si ci st  an d m a t h em ati c ian Jam e s C l erk M a x w el l  w h o p u b l i s he d a n  earl y  fo rm  of  t hose  equat i o ns  bet w een 1 8 61 a nd  18 6 2  [ 1 ] .  The  "m i c rosco p i c " set o f  Maxwell's eq u a tio n s  uses to tal ch arge and  t o t a l  curre nt  wi t h o u t  co nsi d eri ng c h ar ge  vari at i on  wh en cha r ges a r m ovi ng  wi t h  hi g h  s p eed  due t o   relativ istic effect o n  ch arg e  [2].   C onse q uent l y  t h ey   gi ves di f f ere n t   re sul t  whe n   ch arg e s are i n  m o v i n g  in ertial frame. In th is  pers pect i v e,   w e  ha ve i nvest i g at ed t h e c r eat i on  o f  el ect r o m a gnet i c  wa ve  by  m ovi n g   p o i nt  cha r ge  o r   b y  t i m e   varying electri c and m a gnetic  field i n  the  presence  of cha r ges at  rest uni form   m o tion or in accelerate d   fram e .   The m a i n  and im port a nt  co ns eque nce  of M odi fi ed el ect ro mag n e tic th eo ry is th at  it als o  pred icts th ch arg e   distorts s p ace-t i m e  curvature  as Einstein explained m a ss  dis t orts space -time curvat ure  in  his gene ral the o ry of  relativ ity [3 ].    There  are  m a in  two post ulate of  m odi fi ed el e c t r om agnet i c  t h eo ry .   1.     Ratio  of a n y c h arge body  with the m a ss “m ” and c h a r ge   “e” is constant   for all obse rve r rega rdl e ss  t h ei r  st at e of  m o t i on.   2.   Maxwe ll’s Ele c tr om agne ti wave  e quati o ns o f p o i n t   ch arge  wi t hou t   considering cha r g e   variation are not v a li fo moving fr a me  with respe c to res t o bs e r v e r .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  4, No . 2, A p ri l  20 14   :    23 1 – 2 3 6   23 2 2.   ORI G IN  OF   CO ULO M B’ S FO RCE   It  f o l l o w s  f r o m  coul om b’s l a w t h at  el ect r o st at i c  force  bet w een  t w o c h ar ges i s   di rect l y   pr o p o r t i onal   to  th pr odu ct  o f  two  ch arg e an d inv e r s ely  pr opo r tion a to the s q uare  of the distance  bet w een them  given  by    F    (2 .1 )     Whe r e ‘k’ is the coulom b’s  constant.  K πε . From Max w ell’s eq u a tion ,   sub s titu tin g  th e v a lu e o f   ε  in  ab ov e equ a tion.    F μ c π      Let u s  assu m e  th at  q  is th e po i n t ch arg e  an d  q  is fix e d  ch arg e Hen c e abov e eq u a tion  can   b e   written  as.    F μ π       (2 .2 )     The factor  q c  ap peari n g  i n  t h e  ab ov e e quat i on  i s  act u a l  c a use  of  c oul o m b’s fo rce a n d i s   resp o n sible fo c h ar ge disto r ts  space -tim e curvature as  E i ns tein  propos ed that  factor  mc  appeari n g in  Newt o n ’s  un iversal law of  grav itatio n wh i c h   was  fu rther exp l ain e d   b y  Ein s tein in his g e n e ral t h eo ry  of  relativity cause s m a ss distorts   space- tim e  curvature.      3.   MO DIFI CAT ION  IN  LOR E NTZ  FORC E LAW   It  is g e n e rally ex p ected  fro m   in tu ition   t h at th electro m a g n e tic fo rce ex erted   on  a ch arg e p a rticle   sh ou l d  h e  invarian t as ob serv ed  in   d i fferen t  in ertia l fra m e s. In term s of electric an d m a gnetic fields the   el ect rom a gnet i c  fo rce exe r t e d  on a  part i c l e  of c h ar ge  q an d vel o ci t y  v i s  gi ve n by  t h f a m ous L o re nt z  fo rce  law as F = q(E + v x B). By  resorting to the Lore ntz  trans f orm a tion of space and ti m e ,  it is known that the   two  field s  tog e th er with  th e velo city  transform in such a  way that the Lorentz force is  exactly  identical to that   gi ve by  t h e t r ansf o r m a ti on o f  t h e t i m e rat e  of  cha n ge o f   ki nem a t i c   m o m e nt um . That  i s , t h e L o re nt z  fo rc e   law is Loren t z in v a rian t.  Furth e rm o r e, th wav e  equ a tions o f  po ten tial, th e con tinu ity eq u a tion ,   and  th Lore ntz ga uge, whic h are  fundam enta l  equa t i ons i n  el ect r o m a gnet i c , can  be sh o w n t o  b e  Lore nt z i n va ri ant .   The n , M a xwel l ' s equat i o ns ca be s h ow n t o   be i n va ri ant   un der  t h e L o rent z  t r ans f orm a t i on [ 4 ] .   C onse q uent l y  Lore nt z f o rce  equat i o doe s n ’t  i n vol ve  charge  variation whe n  the c h arge  particle   m oves i n   uni fo rm  el ect ri c and  m a gnet i c  fi el d  an d i t  i s   Lo re nt z i n vari a n t  [ 5 ] .   Acco rdi n g t o  m oder n   st rat e gy  o f   relativ istic ch arg e , Lo ren t z force eq u a tion  m u st invo lv rel a tiv istic ch arg e  if ch arg e s are  in  m o v i n g  frame.  Let  us as sum e  t h at  cha r ge i s  m ovi ng al on g  y - axi s  i n   uniform  electric and m a gnetic field along   x- axi s  a nd y - axi s  res p ect i v el y   as sh o w n  i n   pr evi o us m e nt i oned  FI G u re (1 ).  Lo rent f o rce  eq uat i o n  i s   gi ven  b y   th e fo llowing  eq u a tion .     Fq E VB  (3 .1 )     Whe r ′q  i s  rest  char ge. I f  t h e  vel o ci t y  of c h ar ge i s  ve ry  hi g h  as com p ared t o  s p ee of l i g ht  f o r re st   obs er ver ,  S o  c onsi d eri n g  t h effect   of  cha r g e  va ri at i on,  re p l aci ng  q ’ b y  t h e relativ istic ch arg e   ′q′ There f ore m o d i fi ed e quat i o of  Lo re nt z f o rc e i s ;      F q EVB  (3 .2 )       4.   LORENTZ  F O R C E O N   C O NTI N U O U S  CH A R GE  DI STRIBUTI O N     For  t h e c o nt i n uo us c h a r ge  di st ri but i o n,  su p pos e t h at  c h ar ges a r e di st ri b u t e o v er sm al l  vol um e i n   m ovi ng wi t h  c onst a nt  vel o ci t y  i n  el ect rom a gnet i c  fi el d ,  hence a ve ry s m all force wil l  act on a very s m all  am ount  o f   c h ar ge wi t h  respect   t o  rest   o b se rve r , by   t a ki ng   di f f ere n t i a l ;     df d  γ  v B  E    (4 .1 )     Whe r e  ′ γ′  i s  Lo re nt z fact or  desc ri be d i n  Lo re nt z t r ans f orm a t i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       In terp reta tion   o f  Mo d ified   Electro mag n e tic  Th eo ry  an d Ma xwell' s Eq ua tio n s  on  …  (Asif Ali Lagh a r i)   23 3 γ 1   v c    Di vi di n g   bot si des  of  eq uat i o n  4 . 1  by  a  sm al l  vol um e ‘v   df dv dq dv     γ   v B     E     Or   df    γ  ρv B  E    d v   df    γ   B  E    d v   Because  ρv      curr ent density  d e scrib e d in  Maxwell’s equ a tion .   To   find  t o tal fo rce acting   o n   total charge e n closed by t h e s u rface  ds  in  the  vo lu m e   dv   can be achi e ve d by   t a ki n g  vol um i n t e gral   as.     F  γ  B  E  d v  (4 .2 )       5.   ELECTROMAGNETIC FORCE  BETWEEN TWO CHARGE S IN  MOVING INE R TIAL  FRAME   Consi d er two  sam e  charges  are in rest  fra me S,  on ly rep u l si v e  electrostatic fo rce exists b e tween  th em  as sh own in  th e fi g u re  1 .  Belo w:           Fi gu re  1.  C o ul om b’s f o rce  be t w een t w o  i d e n t i cal  charge s i n  rest   fram e  S m easure d   by   rest  o b ser v e r       If t w o s a m e  charges  are i n  m oving ine r tial fra m e S’, eac c h ar ge e xpe ri en ces re pul si ve  e l ectrostatic force, but  due t o  t h du m bbel l  shape m a gnet i c  fi el d of t w o c h ar ge s pa rallel to  x - z p l an e in  S’  fram e, they will attract  each othe r with respect  t o  res t   observ er as s h own in Figure  2. Below:            Fi gu re  2.  M a g n et i c  f o rce   F  and   relativ istic co u l o m b s fo rce  F   m easured by rest  obse rve r  when  two  identical cha r ges are i n  m oving ine r tial fram e  S’      Here  we are c once r ned  wi t h  S’ fram e , t o  fi nd t h e n e t   force b e tween  two  ch arg e s, we  co nsid er  relativ isti c   char ge i n  c oul om b’s l a w a s   g i ven i n  t h e  f o l l o wi ng  eq uat i o n.      F q E   (5 .1 )     M a gnet i c  fi el of  a rel a t i v i s t i c  cha r ge  i s  gi ve by .     B    qv    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  4, No . 2, A p ri l  20 14   :    23 1 – 2 3 6   23 4 For ce o n  p o i n t  char ge d u e t o   m a gnet i c  fi el d i s  gi ve n by  t h e cr oss  pr od u c t  of m a gnet i c  fi el d an d vel o ci t y  as  fo llow.    F q VB      Taking ratio be tween  electric and  m a gnetic  fo rce ,   we ar rive  at the  follo win g   result.           (5.2)     M a gni t u de o f  char ge i n  m ovi ng f r am m e asure d  by  rest  obse r ve r i s  gi ven by  Asi f’s  equat i o n of c h ar g e   vari at i o n.     q          By re arrang ing  th is equ a tion ,  we  wan t  to   driv e th e v a l u o f       as  f o llow s .     1        (5.3)     Sub s titu tin g equ a tio n 5.3 in   5 . 2 .   We  h a v e        1              After  so lv ing ,  we g e th e fo llo wi n g   equ a tion .     qE q vB q E    (5.4)     Thi s  e q uat i o n  sh o w s t h at  c oul om b’s f o r c e (el ect ric  force)  betwee n t w o cha r ges i n  S’  fram e   measured by  rest observer is  the  s u m  of t h e co ul om bs f o rce  bet w ee n t w o  cha r ges i n   S f r am e and m a gnet i c   force  of two c h arges  in  S’ fra m e.  An d   m a gnet i c   fo rce bet w ee n t w c h a r ges   i n  S’ fram e   m easure d  by   re st   o b s erve i s  gi ve n by .     qv B q E q E      (5.5)     Eq uat i o n  5 . d e scri be t h at  t h e m a gnet i c  for ce bet w ee n t w o c h ar ges i n  S  f r am e i s  act ual l y  t h e di ffe re nce  of   th e relativ istic  co u l o m b s fo rce in  S’  fram e  an d th rest co u l o m b s fo rce in   S fram e..   From   eq uat i o n  5. 2. Wh en vc , the n       1      W h en  ch ar g e a r e  in mo v i n g   f r a me ,  th e  ch ar g e  on  th e part icle  varies with respect  t o  re st  observer.  B y  appl y i n g  F a raday s l a w ,   o n e ca de duct  t h at  t h e  cha n ge   in the  electric  charge ca uses   change  in t h e e l ectric  fi el d a nd  he nc e fo rest  o b se rve r , m a gnet i c  fi el d i s   ge ner a t e d ar o u n d  ea ch c h ar ge i n   m ovi ng  fram e . That s   why  t h rest  o b s erve r e x peri en ce m a gnet i c  fo rce  bet w ee n t w o c h ar ges  d u ri ng  m o t i on.       6.   MA X W ELL’S EQUATION IN  MO VING INE R TIAL FRAME    6. 1.      Di ver g e n ce a nd  Curl   of  M a gneti c   F i el d of  a  Poi n t  Ch ar ge i n   M ovi n g   Frame   In  el ect rom a gn et i c  wave  t h e o ry , t h e  di ver g e n ce  of   a m a gnetic field is al ways e qual t o   zero beca use   t h ere i s   n o  m ono  p o l e  m a gne t  [6] .  B u t  i n  ca se o f  a  si n g l e  c h ar ge i n  m ovi ng  i n e r t i a l  S’  f r am e al ong y - a x i s  as  sh own  in fo llowing  Fi g u re  3 .   Belo w:         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       In terp reta tion   o f  Mo d ified   Electro mag n e tic  Th eo ry  an d Ma xwell' s Eq ua tio n s  on  …  (Asif Ali Lagh a r i)   23 5     Fi gu re 3.   C h a r ge  q  m ovi ng i n   m ovi ng i n e r t i a l  fram e  S’       let u s  assu m e  t h at it p r od uce  mag n e tic field   in  con c en tric  circles aro und  it with   resp ect to  rest ob serv er. The  di ve rge n ce  of  t h at  m a gnet i c  fi el d m easured  b y  rest  o b se rve r   i s  gi ve by .     . B lim ⇢ B. ds v     Sub s titu tin g   B    qv  ,  hence     . B μ ρv    . B   μ    (6 .1 )     Here is t h e rel a tiv istic cu rrent d e n s ity,  wh ich   d e p e nd u pon   b o t h  “Relativ istic ch arg e   den s ity an v e lo city”. No t e  th at Relativ istic ch arg e  d e n s ity v a ries w ith  the cha n ge in t h e electri c cha r ge  or cha n ge i n  the   vol um e or  bot h .   The c u rl   o f  m a gnet i c   fi el of   a m ovi ng c h a r ge  poi nt  cha r g e  i s  gi ven  by .     B l i m ⇢ B. da A     Sub s titu tin g    B    qv  ,  For t h e c ont i n uo us c h ar ge  di st ri but i o (co n f i g urat i o n) i n  t h e sm al l  regi on o f  are a   A 0 ,  t h e ab ove equ a tio n beco m e s.    B   μ  σv  (6 .2 )     6.2.     Electric Flux of  Rel a ti vistic Electric  Field  From  M a xwel l s p o i n t  cha r g e  equat i o n o r   Gaus ses  law,  o n e  can  d e du ct th e to tal elec tric flu x   o f   charge  out of  the close d  s u rface at rest  which is      , su pp ose  we  wa nt   t o   dem onstrate el ectric flux  when  char ge i s  i n  m ovi ng i n ert i a l  f r am e S’ sho w n  i n  ab ove F I Gu re 3.  It  f o l l o ws  fr om  equat i o n  5. 5. B y  el im i n at i n g   relativ istic ch arg e  and  tak i ng   d i v e rg en ce t o   g e t to tal relativistic electric flu x  of ch arg e    . E   lim ⇢  ds        ds   γ   ds    (6.3)     Usi n di ve rge n ce t h eo rem  t o   get electric fl ux.  We  ha ve     E ds    μ  qv   γ      (6.4)     E ds         γ      (6.5)     Pu ttin g v a l u of  g a mma an d  after so lv i n g,  we g e t     E ds      (6.6)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  4, No . 2, A p ri l  20 14   :    23 1 – 2 3 6   23 6 Th is is th e poin t  form  o f  M a x w ell’s equ a t i o n   o r  Gau sses law in  i n tegral fo rm W h ere  ρ  is th relativ istic ch arg e   d e n s ity, wh ich   v a ries wit h  th e v e l o city o f  ch arg e s d i st ribu ted  i n  defi n ite vo lu m e  d u e  to  ch arg e   v a riation  an d leng th   con t raction  acco r d i ng  to sp ecial relativ ity.      7.   CO NCL USI O N   In t h i s  st udy ,  we ha ve i n v e st i g at ed a M odi fi ed  Electro m a g n e tic th eo ry  that m odifies quant u electrody nam i cs and classical electro m a g n e tic th eo ry. Th is led  u s  to   m o d i fy to  Lo ren t z fo rce law, Maxwell’s  eq u a tion s   of po in t ch arg e  th at g i v e s co rrect  resu lt in   rest fra m e  will g i v e   d i fferen t  resu lt in  m o v i n g   frames as  di scuss e d i n  t h i s  pape r. T h p a per t h en  di sc u ssed a b o u t  t h ori g i n   of el ect r o st at i c  and el e c t r om agnet i c  f o rces   bet w ee n c h ar g e s.   Th e in teresti n g   resu lt fou nd fro m  cou l o m b s law is th e fact o r   qc  which is t h e  actual   cause  of  attraction a nd  repulsion  between two c h arges in s p ace as  mc  is th e actu a l cau s o f   g r av itatio n a l fo rce t h at   appea r s i n  s o m e  Ei nst e i n ’s  fi el d eq uat i o ns  t h at  desc ri be  m a ss di st ort s  space -t im e cur v at u r e i n  t h eory   of   Gen e ral relativity.       ACKNOWLE DGE M ENTS   I am  deepl y  inde bt ed t o  D r .  Am eer Al i  Lagha ri , E n g .   M a ji Al i  Lag h ari  a nd Za hi d  Al i  Lag h ari   wh ose s u ggest i ons a nd c o nt i n u o u s enc o ura g em ent  rel a t e d t o  t h e a b o v e  wo rk  hel p e d  m e  imm e nsel y  t o   investigate a n d  fu rthe r re n e   th e conj ectu r p r esen ted in  this p a p e r. Th d i scu ssi on s I  had  with th em   wh il th ey were rev i ewing  th e work  led   m e  to  d e v e lop  a fo rm id ab le set o f   m a t h em at ical  m o d e ls to  b e tter rep r esen t   th e said conj ectu re.      REFERE NC ES   [1]   JC Maxwell. “A D y namical Th eor y  of  th e El e c tr om agnetic  Field  in W .  D. Niv e n (ed . ),  The S c ientific Papers of  James  Cler k  Ma xwell , N e w York, Dover .  1865 [2]   Laghar i , Asif Ali. “Asif’s Equation of Ch arge Variation  and Sp ec ial Re lat i vit y .   Journal of Applied Physics . 2013;  4(3): 01-04.  [3]   Wald, Rob e rt M .  “General relativ i ty ”.  Univ ersity   of Chicago pr ess. 2010 [4]   P Lorrain  and  DR Corsou. “Electroma gnetic Field s  and Waves”. S a n Franci sco: Freeman. chs. 5  an d 6, 1972.    [5]   CC Su. “Modifications of  th e Lor e ntz force l a w in vari an t under Galilean  transform a tions”. in  this Di gest.  [6]   RE E llio tt. “Electrom a gneti cs, Hi stor y ,  Th eor y , and Applications”. (classic reissue). 1993     BI O G R A P HY  OF   A U T HO     Asif Ali Laghari, he is undergrad u ated studen t  of  Electronics Engineering in Mehr an University   of Engin eerin g and Technolog y ,   Jamshoro Pakistan.  He has been do ing research  in  the fields of  El ectrom a gne tic   t h eor y   and R a diating S y stems,  theor y  of Speci a l  and Genera l re lativ it y, Quan tu m  Electrod y n a m i cs, Math em atic al m odeling of  phy s ica l  s y ste m s from la st 5-y e a r s.   He is the first who introduced  th e conc ept of ch a r ge  variation in  his first research  paper  that  has  been pub lished  b y   Intern ation a Organizati on  of  Scientif ic Resear ch in  july   2013.  Em ail:  asifa li_l e ghari@ y ahoo .co m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.