磁單極子及磁洛倫茲力的探討————對電磁對稱美的深究

1、磁單極子及磁洛倫茲力的探討 對電磁對稱美的深究對電磁對稱美的深究 05級力學(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)識電與磁的對稱美。 實(shí)驗(yàn)篇l簡介：利用對稱性，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)，這里想到了相對論。Coulomb1212201214eeerq qfrr 1212201214mmmrq qfrr 對稱的深層關(guān)系：對偶原理meHE meDB meEH meBDeqqmmeIImeme電磁對稱關(guān)系一覽表： 基本規(guī)

2、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 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)計的改進(jìn)設(shè)想 3.電約束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(qiáng)度能達(dá)到幾個特斯拉 。72200,41 0BHNCs H能超過 數(shù)量級，磁場強(qiáng)度很大。710空氣擊穿電場為，電場強(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)計式磁強(qiáng)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)生磁單極子對磁單極子對。 宇宙中磁單極總量已經(jīng)極小的情況下，要想檢測到單獨(dú)的磁單極子，概率極?。】赡艽蟛糠智闆r磁單極大部分情況磁單極子子以磁單極子對的形式出現(xiàn)又重新結(jié)合湮滅以磁單極子對的形式出現(xiàn)又重新結(jié)合湮滅。 測量磁場最靈敏的超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計當(dāng)磁單磁單極子對同時（或者幾乎同時）穿過儀器時，磁通極子對同時（或者幾乎同時）穿過儀器時，磁通量量0mmmdSqqq SB。這樣超導(dǎo)線圈中磁通量不變，沒有感生電流，儀器卻認(rèn)為沒有磁單極子通過。這是非常遺憾的！ 改進(jìn)設(shè)想：結(jié)合兩個實(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)計外加一個穩(wěn)定的強(qiáng)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： 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：磁約束的對稱v電約束電約束： 的應(yīng)用，不均勻的磁場能對電荷進(jìn)行磁約束，那么不均勻的電場也能對不均勻的電場也能對磁荷進(jìn)行電約束。磁荷進(jìn)行電約束。v 電鏡電鏡：設(shè)計一個兩頭強(qiáng)、中間弱的不均勻電場（均勻磁介質(zhì)中電位移場D與電場具有相同構(gòu)象）。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中，在力 作用下將沿電場線作螺旋運(yùn)動。磁單極子總受到一個磁單極子總受到一個指向弱電場方向的作用力指向弱電場方向的作用力。這樣，磁單極子在磁場中來回運(yùn)動不能逃

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，電鏡的電場線可用一個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，像一個捕魚的竹籠，守候磁單極子的到來，對它進(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)形電場穩(wěn)定的環(huán)形電場，需要一個穩(wěn)定線性變化的磁場。想要直接實(shí)現(xiàn)是非常困難的。工程上也許能解決這個問題。mlsBE ld SIt 總結(jié)：n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?yàn)檫@種對稱性，我們可以充分發(fā)揮想象對現(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(jǐn)。