磁單極子及磁洛倫茲力的探討————對(duì)電磁對(duì)稱美的深究

1、磁單極子及磁洛倫茲力的探討 對(duì)電磁對(duì)稱美的深究對(duì)電磁對(duì)稱美的深究 05級(jí)力學(xué)系 李志濤指導(dǎo)老師 翁惠民 全文大綱全文大綱 理論篇l簡(jiǎn)介：研究引入磁單極子后，電磁學(xué)基本規(guī)律的廣義情況，重新認(rèn)識(shí)電與磁的對(duì)稱美。 實(shí)驗(yàn)篇l簡(jiǎn)介：利用對(duì)稱性，我們可以充分挖掘現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的潛能，改進(jìn)舊的裝置和設(shè)計(jì)新的裝置。理論篇 為了討論經(jīng)典電磁學(xué)的廣義情況，我們需要高于經(jīng)典電磁學(xué)的理論指導(dǎo)，這里想到了相對(duì)論。Coulomb1212201214eeerq qfrr 1212201214mmmrq qfrr 對(duì)稱的深層關(guān)系：對(duì)偶原理meHE meDB meEH meBDeqqmmeIImeme電磁對(duì)稱關(guān)系一覽表： 基本規(guī)

2、律 電 磁 庫(kù)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 0mmJtmmmfq Hq vD eeefq Eq vB mlsBE ldSIt elsDH ldSIt SD dSq eSB dSq m1212201214eeerq qfrr 1212201214mmmrq qfrr 實(shí)驗(yàn)篇 三種實(shí)驗(yàn)裝置： 1.加速器 2.磁強(qiáng)計(jì)的改進(jìn)設(shè)想 3.電約束63 10/V m無(wú)限長(zhǎng)通電螺線管內(nèi)部，H=nI,n為單位長(zhǎng)度上線圈匝數(shù)。若使用超導(dǎo)線圈，磁感應(yīng)強(qiáng)度能達(dá)到幾個(gè)特斯拉 。72200,41 0BHNCs H能超過(guò) 數(shù)量級(jí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度很大。710空氣擊穿電場(chǎng)為，電場(chǎng)強(qiáng)度難

3、以達(dá)到很大從能量角度上看，12mB H 12eE D 一種新的加速器 有科學(xué)家提出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(yuǎn)超過(guò)目前應(yīng)用電子、質(zhì)子和重離子的高能加速器。 8210/eVcm的能量， 磁強(qiáng)計(jì)的改進(jìn) 尷尬的事實(shí)：n利用能量極高的宇宙射線 研究，1982年由地面超導(dǎo)量子干涉儀超導(dǎo)量子干涉儀式磁強(qiáng)計(jì)式磁強(qiáng)計(jì)經(jīng)151天探測(cè)到一次可能是磁單極子的事件，但后來(lái)經(jīng)過(guò)多次探測(cè)并提高儀器靈敏度也未能得到未能得到重復(fù)重復(fù)。 分析： 宇宙射線中可能存在磁單極子的原因： 1.宇宙射線中本身可能含有宇宙形成時(shí)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

4、撞而產(chǎn)生磁單極子對(duì)磁單極子對(duì)。 宇宙中磁單極總量已經(jīng)極小的情況下，要想檢測(cè)到單獨(dú)的磁單極子，概率極??！可能大部分情況磁單極大部分情況磁單極子子以磁單極子對(duì)的形式出現(xiàn)又重新結(jié)合湮滅以磁單極子對(duì)的形式出現(xiàn)又重新結(jié)合湮滅。 測(cè)量磁場(chǎng)最靈敏的超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)當(dāng)磁單磁單極子對(duì)同時(shí)（或者幾乎同時(shí)）穿過(guò)儀器時(shí)，磁通極子對(duì)同時(shí)（或者幾乎同時(shí)）穿過(guò)儀器時(shí)，磁通量量0mmmdSqqq SB。這樣超導(dǎo)線圈中磁通量不變，沒(méi)有感生電流，儀器卻認(rèn)為沒(méi)有磁單極子通過(guò)。這是非常遺憾的！ 改進(jìn)設(shè)想：結(jié)合兩個(gè)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置給超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)外加一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)。B=1T時(shí)，荷質(zhì)比為的磁單極子在作用下將產(chǎn)生加速度： 1

5、19.7310JA Kg1mmfHq 1727.743 10/am s。 正負(fù)磁單極子受力方向相反將分離。正負(fù)磁單極子受力方向相反將分離。電約束：磁約束的對(duì)稱v電約束電約束： 的應(yīng)用，不均勻的磁場(chǎng)能對(duì)電荷進(jìn)行磁約束，那么不均勻的電場(chǎng)也能對(duì)不均勻的電場(chǎng)也能對(duì)磁荷進(jìn)行電約束。磁荷進(jìn)行電約束。v 電鏡電鏡：設(shè)計(jì)一個(gè)兩頭強(qiáng)、中間弱的不均勻電場(chǎng)（均勻磁介質(zhì)中電位移場(chǎng)D與電場(chǎng)具有相同構(gòu)象）。2mmfq vD 完全類似的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：v當(dāng)磁單極子置于這種電場(chǎng)中，在力 作用下將沿電場(chǎng)線作螺旋運(yùn)動(dòng)。磁單極子總受到一個(gè)磁單極子總受到一個(gè)指向弱電場(chǎng)方向的作用力指向弱電場(chǎng)方向的作用力。這樣，磁單極子在磁場(chǎng)中來(lái)回運(yùn)動(dòng)不能逃

6、出。2mmfq vD 類似磁約束，電約束滿足規(guī)律22MvmD電回旋電矩和速率v不變電約束優(yōu)點(diǎn)：新版守株待兔n相比于磁鏡，電鏡的電場(chǎng)線可用一個(gè)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(shí)不用通以電流，不消耗能量不用通以電流，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(gè)捕魚的竹籠，守候磁單極子的到來(lái)，對(duì)它進(jìn)行捕捉。 電約束的不足：n正如磁鏡，電鏡也不是一種理想約束裝置，然而磁鏡可改進(jìn)為環(huán)形磁瓶，但穩(wěn)定的環(huán)形電場(chǎng)卻不容易實(shí)現(xiàn)。n根據(jù) ，因?yàn)榇帕鞑淮嬖? 所以要得到穩(wěn)定的環(huán)形電場(chǎng)穩(wěn)定的環(huán)形電場(chǎng)，需要一個(gè)穩(wěn)定線性變化的磁場(chǎng)。想要直接實(shí)現(xiàn)是非常困難的。工程上也許能解決這個(gè)問(wèn)題。mlsBE ld SIt 總結(jié)：n通過(guò)以上討論我們的確看到了電磁學(xué)理論的完美對(duì)稱，也因?yàn)檫@種對(duì)稱性，我們可以充分發(fā)揮想象對(duì)現(xiàn)有的研究電荷的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)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。 n由于本人數(shù)學(xué)知識(shí)有限，所以單從對(duì)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(jǐn)。