磁單極子及磁洛倫茲力探討實用教案

1、理論(lln)篇 為了討論經(jīng)典電磁學(xué)的廣義情況，我們(w men)需要高于經(jīng)典電磁學(xué)的理論指導(dǎo)，這里想到了相對論。第1頁/共19頁第一頁，共20頁。第2頁/共19頁第二頁，共20頁。Coulomb1212201214eeerq qfrr 1212201214mmmrq qfrr 第3頁/共19頁第三頁，共20頁。對稱(duchn)的深層關(guān)系：對偶原理meHE meDB meEH meBDeqqmmeIImeme第4頁/共19頁第四頁，共20頁。電磁(dinc)對稱關(guān)系一覽表： 基本規(guī)律 電 磁 庫侖定律 高斯定理 安培環(huán)路定理 洛倫茲力公式洛倫茲力公式 守恒定律 0eeJt 0mmJtmmmf

2、q Hq vD eeefq Eq vB mlsBE ldSIt elsDH ldSIt SD dSq eSB dSq m1212201214eeerq qfrr 1212201214mmmrq qfrr 第5頁/共19頁第五頁，共20頁。 實驗(shyn)篇 三種實驗裝置： 1.加速器 2.磁強計的改進(gijn)設(shè)想 3.電約束第6頁/共19頁第六頁，共20頁。63 10/V m無限長通電螺線管內(nèi)部，H=nI,n為單位長度上線圈匝數(shù)。若使用超導(dǎo)線圈，磁感應(yīng)強度能達到(d do)幾個特斯拉 。72200,41 0BHNCs H能超過(chogu) 數(shù)量級，磁場強度很大。710空氣(kngq)擊

3、穿電場為，電場強度難以達到很大從能量角度上看，12mB H 12eE D 第7頁/共19頁第七頁，共20頁。一種(y zhn)新的加速器 有科學(xué)家提出(t ch)利用磁單極子制造體積小而能量高的高能加速器，B=1T的磁單極子加速器，可獲得約 遠超過目前應(yīng)用電子、質(zhì)子和重離子的高能加速器。 82 10/eV cm的能量，第8頁/共19頁第八頁，共20頁。 磁強計的改進(gijn) 尷尬(n )的事實：n利用能量極高的宇宙射線 研究，1982年由地面超導(dǎo)量子干涉(gnsh)儀式磁強計經(jīng)151天探測到一次可能是磁單極子的事件，但后來經(jīng)過多次探測并提高儀器靈敏度也未能得到重復(fù)。 第9頁/共19頁第九頁

4、，共20頁。 分析(fnx)： 宇宙射線中可能存在磁單極子的原因(yunyn)： 1.宇宙射線中本身可能含有宇宙形成時遺留的磁單極子； 2.高能宇宙射線粒子同大氣原子、離子等碰撞而產(chǎn)生磁單極子對。 宇宙中磁單極(dn j)總量已經(jīng)極小的情況下，要想檢測到單獨的磁單極(dn j)子，概率極??！可能大部分情況磁單極(dn j)子以磁單極(dn j)子對的形式出現(xiàn)又重新結(jié)合湮滅。 第10頁/共19頁第十頁，共20頁。測量磁場(cchng)最靈敏的超導(dǎo)量子干涉式磁強計當(dāng)磁單極子對同時（或者幾乎同時）穿過儀器時，磁通量0mmmdSqqq SB。這樣(zhyng)超導(dǎo)線圈中磁通量不變，沒有感生電流，儀器卻

5、認為(rnwi)沒有磁單極子通過。這是非常遺憾的！ 第11頁/共19頁第十一頁，共20頁。改進(gijn)設(shè)想：結(jié)合( jih)兩個實驗優(yōu)點的實驗裝置給超導(dǎo)(cho do)量子干涉式磁強計外加一個穩(wěn)定的強磁場。B=1T時，荷質(zhì)比為的磁單極子在作用下將產(chǎn)生加速度： 119.7310JA Kg1mmfHq 1727.743 10/am s。 正負磁單極子受力方向相反將分離。第12頁/共19頁第十二頁，共20頁。電約束(yush)：磁約束(yush)的對稱 電約束：電約束： 的應(yīng)用，不均的應(yīng)用，不均勻的磁場能對電荷進行勻的磁場能對電荷進行(jnxng)磁約磁約束，那么不均勻的電場也能對磁荷進束，那么

6、不均勻的電場也能對磁荷進行行(jnxng)電約束。電約束。 電鏡：設(shè)計一個兩頭強、中間弱的電鏡：設(shè)計一個兩頭強、中間弱的不均勻電場（均勻磁介質(zhì)中電位移場不均勻電場（均勻磁介質(zhì)中電位移場D與電場具有相同構(gòu)象）。與電場具有相同構(gòu)象）。2mmfq vD 第13頁/共19頁第十三頁，共20頁。完全類似的實驗(shyn)規(guī)律： 當(dāng)磁單極子置于這種電場中，在力 作用下將沿電場線作螺旋運動。磁單極子總受到一個指向弱電場方向(fngxing)的作用力。這樣，磁單極子在磁場中來回運動不能逃出。2mmfq vD 類似(li s)磁約束，電約束滿足規(guī)律22MvmD電回旋電矩和速率v不變第14頁/共19頁第十四頁，共

7、20頁。電約束優(yōu)點(yudin)：新版守株待兔 相比于磁鏡，電鏡的電場線可用一個(y )距離較寬的類似電容器的裝置產(chǎn)生，比磁感線形狀更容易控制，且工作時不用通以電流，不消耗能量。設(shè)想可以把這種裝置送上太空，工作在電離層以外，像一個(y )捕魚的竹籠，守候磁單極子的到來，對它進行捕捉。 第15頁/共19頁第十五頁，共20頁。 電約束(yush)的不足： 正如磁鏡，電鏡也不是一種理想約束裝置，然而磁鏡可改進為環(huán)形(hun xn)磁瓶，但穩(wěn)定的環(huán)形(hun xn)電場卻不容易實現(xiàn)。 根據(jù) ，因為磁流不存在, 所以要得到穩(wěn)定的環(huán)形(hun xn)電場，需要一個穩(wěn)定線性變化的磁場。想要直接實現(xiàn)是非常困難

8、的。工程上也許能解決這個問題。mlsBE ld SIt 第16頁/共19頁第十六頁，共20頁?？偨Y(jié)(zngji)： 通過以上討論我們的確看到了電磁學(xué)理論的完美對稱，也因為這種對稱性，我們可以充分發(fā)揮想象對現(xiàn)有(xin yu)的研究電荷的實驗裝置進行改造。若能發(fā)現(xiàn)磁單極子，質(zhì)譜儀等一系列裝置可以相應(yīng)改造以便研究。 由于本人數(shù)學(xué)知識有限，所以單從對稱角度考慮電磁學(xué)，做到了物理直觀，但也失之于數(shù)學(xué)的不嚴(yán)謹。第17頁/共19頁第十七頁，共20頁。參考書目：電磁學(xué)張玉民 戚伯云 科學(xué)出版社當(dāng)代(dngdi)磁學(xué)李國棟 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社電磁學(xué)專題研究 陳秉乾 舒幼生 胡望雨 高等教育出版社電磁理論導(dǎo)引方能航 科學(xué)出版社電動力學(xué)尹真 科學(xué)出版社第18頁/共19頁第十八頁，共20頁。感謝您的觀看(gunkn)！第19頁/共19頁第十九頁，共20頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)理論篇。利用能量極高的宇宙射線 研究，1982年由地面超導(dǎo)量子干涉儀式磁強計經(jīng)151天探測到一次可能是磁單極子的事件，但后來經(jīng)過多次探測并提高儀器靈敏度也未能得到重復(fù)。結(jié)