Kemampuan monopole magnet • Igor Ivanov • Tugas sains popular mengenai "Unsur" • Fizik

Keupayaan monopole magnet

Undang-undang yang menggambarkan bidang elektrik dan magnet sangat serupa, dan bersama-sama mereka membentuk satu persamaan sistem tunggal. Walau bagaimanapun, dalam satu aspek, bidang ini sangat berbeza: caj elektrik sekitar penuh, dan monopole magnet (dipanggil caj magnet berasingan) tidak. Adakah terdapat apa-apa, atau mereka, tetapi kita belum jumpa lagi – soalan terbuka, tetapi sekurang-kurangnya semua elektrodinamika yang digunakan dalam fizik, teknologi dan kehidupan seharian adalah berdasarkan pada anggapan bahawa monopole magnetik dalam sifat tidak wujud.

Walau bagaimanapun, fizik teori adalah seorang yang berani dan mungkin berminat dengan penerangan teori sesuatu fenomena, walaupun ia tidak diperhatikan di dunia nyata. Hanya apabila anda mengkaji situasi sedemikian, anda boleh mempelajari sesuatu yang baru tentang persamaan elektrodinamika itu sendiri dan merasakan apa yang luar biasa fenomena hipotesis ini. Di samping itu, tidak perlu meninggalkan: mungkin pengalaman ini akan berguna pada masa akan datang, jika ahli fizik dapat mengesan fenomena yang agak serupa dengan hipotesis kita. Ke depan, kita mengatakan bahawa hubungan ini dibenarkan sepenuhnya dalam hal monopoli magnet: sudah ada hasil eksperimen yang dapat dijelaskan dengan mudah dari segi "efektif" monopole magnetik.

Mari cuba berani dan kita akan menyelesaikan masalah yang menggambarkan satu harta yang menghibur monopole magnetik.

Rajah. 1. Medan medan dari monopole menyerupai medan elektrik dari muatan elektrik tetap: garis medan menyimpang dari tuduhan, dan intensitasnya jatuh menurut undang-undang persegi songsang. Di sini q dan qm – caj elektrik dan magnet, masing-masing

Maka apa monopole magnet? Dengan analogi dengan cas elektrik, ini adalah jenis sumber titik medan magnet. Medan magnet dari monopole pegun kelihatan sama dengan medan elektrik dari muatan elektrik pegangan: garis medan menyimpang dari sumber ke semua arah, dan kekuatan medan melemah sebagai jarak daripadanya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (Rajah 1). Interaksi dua monopole magnetik juga akan sama dengan interaksi dua caj elektrik: seperti caj menangkis antara satu sama lain, yang bertentangan menarik. Sekarang mari kita selesaikan soalan: bagaimanakah monopole magnetik bertindak atas tuduhan elektrik? Sekiranya kedua-dua zarah itu berada dalam keadaan tenang, maka tiada apa-apa, kerana monopole magnet hanya menghasilkan medan magnet, dan cas elektrik hanya elektrik, dan mereka tidak bertindak antara satu sama lain dalam elektro dan magnetostatik.Dan apa yang akan berlaku jika mereka bergerak relatif terhadap satu sama lain?

Tugas

Rajah. 2 Awan caj terbang pada monopole magnet tetap. Buktikan bahawa selepas laluan awan mengelilingi paksi pergerakan

Marilah kita mempertimbangkan monopole magnet tetap, di mana "awan" caj elektrik titik terbang dari jauh (Rajah 2). Halaju awal semua caj adalah sama dan sejajar antara satu sama lain, sehingga awan bergerak secara keseluruhan (interaksi listrik antara zarah awan ini diabaikan). Buktikannyabahawa selepas melewati monopole, awan ini, antara lain, akan mula berputar di sekeliling paksi pergerakan awal. Untuk kesederhanaan, anggap bahawa sudut pesongan setiap tangkapan di medan monopole adalah kecil.


Petunjuk

Apabila interaksi elektrik di antara caj dicadangkan untuk diabaikan, maka kesan tertentu harus ditunjukkan untuk setiap zarah secara berasingan, dan hanya kemudiannya akan dibentuk secara visual ke dalam putaran awan keseluruhan. Oleh itu, mulakan dengan tugas yang mudah: satu zarah bercas terbang melepasi monopole pada jarak tertentu. Ketahui kekuatan apa yang berlaku di atasnya, di mana daya ini diarahkan dan bagaimana ia akan menjejaskan trajektori zarah tersebut.Kemudian bayangkan beberapa zarah yang bergerak dalam kursus yang selari, dan mengesan perubahan trajektori bagi setiap daripada mereka, dan sudah selepas itu bayangkan kelakuan kumulatif seluruh awan.


Penyelesaian

Ke bahagian zarah yang bergerak dalam medan magnet B, kuasa Lorentz bertindak:

Kekuatan medan magnet dari monopole dinyatakan dengan formula:

Di sini menandakan vektor unit yang diarahkan dari monopole kepada caj. Kedua-dua rumus ini ditulis dalam sistem semulajadi GHS, yang mudah untuk menggambarkan fenomena elektromagnetik. Jika kita menggantikan formula kedua ke yang pertama, maka kita akan mendapat kekuatan yang bertindak pada zarah yang lewat.

Rajah. 3 Pasukan yang bertindak atas tuduhan itu, melewati monopole magnetik

Dalam masalah ini, kami tidak berminat dengan formula ini sendiri, tetapi di mana daya diarahkan. Biarkan zarah terbang seperti yang ditunjukkan dalam rajah. 3. Kita tahu dengan syarat bahawa trajektori tidak menyimpang dengan kuat, tetapi kita tidak tahu ke arah mana. Jawapan untuk soalan ini hanya memberi formula yang ditulis di atas. Mereka mengatakan bahawa arah daya ditentukan oleh produk vektor halaju dan vektor jejari unit.Jika zarah bergerak seperti dalam Rajah 3, maka kedua vektor ini terletak pada satah angka (dan tidak selari antara satu sama lain), yang bermaksud bahawa produk vektor mereka diarahkan berserenjang satah gambar. Untuk lintasan atas, arah ini adalah dari corak pada kita, untuk trajektori yang lebih rendah – dari kita dalam corak yang mendalam. Kesimpulan ini sah untuk mana-mana titik trajektori. Oleh itu, apabila zarah-zarah ini melewati monopole, trajektori mereka akan menyimpang ke arah yang sama, iaitu mereka akan keluar dari pesawat angka, satu sedikit lebih tinggi, yang lain sedikit lebih rendah (Rajah 4).

Rajah. 4 Daya dari sisi monopole menyebarkan sepasang zarah ke sisi, seolah-olah memutarnya di sekitar paksi pergerakan.

Begitu juga, kita bertindak untuk apa-apa zarah lain: kita hanya perlu membayangkan pesawat baru (ia diberikan oleh vektor halaju dan ) dan menolak laluan dari pesawat ini. Lintasan setiap zarah akan menyimpang dalam satu arah, contohnya, ke kanan, mengikut arah jam, apabila dilihat dari arah dari mana zarah tiba (arah ini ditentukan oleh tanda caj). Oleh itu, kesan kumulatif untuk seluruh awan sebagai hasilnya akan kelihatan seperti dalam rajah. 2

Kami menekankan bahawa selepas lulus monopole, awan akan, tentu saja, bukan sahaja berputar, tetapi juga berkembang, kerana trajektori zarah individu tidak lagi selari antara satu sama lain.Tetapi perkembangan seperti itu, yang disebabkan oleh gangguan kuasa, akan berlaku untuk kuasa elektrik dan graviti. Keanehan interaksi dalam pasangan "monopole + charge" adalah tepat dalam kesan baru, dalam giliran. Walaupun pengembangan awan tidak terlalu ketara, kita boleh mengatakannya satu rentang melalui monopole hanya disampaikan kepada awan sejenis masa putaran mekanikal. Dan ia timbul dengan tepat kerana dalam sepasang "caj + monopole" kuasa bertindak "ke tepi", bukan "sepanjang".


Selepas perkataan

Masalah hamburan pada monopole magnet cukup kaya. Ia boleh dilihat pada tahap keparahan yang berbeza dan setiap kali mencari kesan lucu. Dalam masalah ini, hanya langkah pertama yang diambil – gambaran keseluruhan penyebaran telah dijelaskan. Langkah seterusnya yang pembaca dapat lakukan dengan sendiri adalah untuk menganggarkan sudut pesongan setiap zarah demi magnitud, masih mengingat sudut ini kecil. Ia juga mungkin untuk menganggarkan magnitud momentum sudut yang diperoleh oleh awan; jawapannya, dengan cara itu, akan menghairankan mudah.

Rajah. 5 Medan magnet pada akhir magnet biasa panjang dan nipis menyerupai medan dari monopole, yang bermaksud bahawa ia juga mampu memutarkan zarah yang dikenakan.Pakar fizikal telah dapat menggunakan harta ini untuk mendapatkan gelombang elektron berputar. Imej dari A. Béché et al., 2013. Medan monopole magnet yang terdedah oleh elektron

Langkah seterusnya adalah untuk menyelesaikan masalah yang sama, tetapi tanpa anggapan sudut pesongan kecil. Di sini, trajektori bukan sahaja boleh menyimpang dengan kuat ke sisi, tetapi juga berputar dalam semacam lingkaran variasi. Tambahan pula, trajektori yang kompleks mempunyai satu ciri: ia sepenuhnya terletak pada permukaan kon tertentu, di puncaknya yang terdapat monopole. Harta yang mengagumkan itu juga boleh diperoleh daripada undang-undang mekanik badan, yang berinteraksi melalui gaya Lorentz.

Semuanya berkenaan dengan penyebaran zarah-zarah klasik. Tetapi masalah yang sama dapat dirumuskan dalam rangka mekanika kuantum: katakan, bagaimana gelombang elektron akan bertaburan jika ia memukul monopole magnetik? Di sini terdapat banyak segelintir baru yang berkaitan dengan penerangan kedua monopole magnet itu sendiri dan pergerakan elektron dalam bidangnya. Tetapi hasil kualiti akan sama seperti dalam masalah kami: gelombang elektron selepas penerbangan akan berputar.

Kecenderungan ini untuk memutar selepas melewati monopole telah digunakan secara eksperimen untuk membuat elektron berpintal (Rajah 5).Sudah tentu, monopole itu tidak nyata di sini, tetapi anggarannya – hanya medan magnet berhampiran hujung magnet biasa yang panjang dan nipis kelihatan seperti medan monopole. Tetapi kaedah masih berfungsi. Fizik telah menggunakan kesan yang sama untuk masa yang lama dalam eksperimen mencari monopole semulajadi. Hanya dalam hal ini bukan elektron yang terbang ke monopole, tetapi monopole itu sendiri mesti terbang melalui cincin superkonduktor. Kemudian, semasa laluannya, ia akan "memutar" kepadatan elektron dalam superkonduktor, iaitu, ia akan mendorong arus berterusan dalam gelang, yang boleh didaftarkan. Eksperimen sedemikian benar-benar sedang dijalankan, tetapi setakat ini tiada isyarat fizik yang boleh dipercayai.

Oleh itu, kita boleh mengatakan bahawa dalam masalah kita, pada tahap kualitatif, kesan yang telah digunakan dalam fizik eksperimen moden ditangkap.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: