磁单极子及磁洛伦兹力的探讨
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磁单极子及磁洛伦兹力的探讨 ———— 对电磁对称美的深究 PowerPoint PPT Presentation


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磁单极子及磁洛伦兹力的探讨 ———— 对电磁对称美的深究. 05 级力学系 李志涛 指导老师 翁惠民. 理论篇 简介:研究引入磁单极子后,电磁学基本规律的广义情况,重新认识电与磁的对称美。. 实验篇 简介:利用对称性,我们可以充分挖掘现有实验装置的潜能,改进旧的装置和设计新的装置。. 全文大纲. 理论篇. 为了讨论经典电磁学的广义情况,我们需要高于经典电磁学的理论指导,这里想到了相对论。. 美妙的物理学. 对称和谐统一. Coulomb. 一段不能遗忘的故事. I am dominant!. Don't forget me!.

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磁单极子及磁洛伦兹力的探讨 ———— 对电磁对称美的深究

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Presentation Transcript


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磁单极子及磁洛伦兹力的探讨————对电磁对称美的深究

05级力学系 李志涛

指导老师 翁惠民


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理论篇

简介:研究引入磁单极子后,电磁学基本规律的广义情况,重新认识电与磁的对称美。

实验篇

简介:利用对称性,我们可以充分挖掘现有实验装置的潜能,改进旧的装置和设计新的装置。

全文大纲


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理论篇

为了讨论经典电磁学的广义情况,我们需要高于经典电磁学的理论指导,这里想到了相对论。


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美妙的物理学

对称和谐统一


Coulomb

Coulomb

一段不能遗忘的故事...

I am dominant!

Don't forget me!


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对称的深层关系:对偶原理


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电磁对称关系一览表:


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实验篇

三种实验装置:

1.加速器

2.磁强计的改进设想

3.电约束

More powerful

More accurate

More economical


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无限长通电螺线管内部,H=nI,n为单位长度上线圈匝数。若使用超导线圈,磁感应强度能达到几个特斯拉 。

H能超过 数量级,磁场强度很大。

空气击穿电场为

,电场强度难以达到很大

从能量角度上看,


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一种新的加速器

有科学家提出利用磁单极子制造体积小而能量高的高能加速器,B=1T的磁单极子加速器,可获得约 远超过目前应用电子、质子和重离子的高能加速器。


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磁强计的改进

尴尬的事实:

  • 利用能量极高的宇宙射线 研究,1982年由地面超导量子干涉仪式磁强计经151天探测到一次可能是磁单极子的事件,但后来经过多次探测并提高仪器灵敏度也未能得到重复。


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分析:

宇宙射线中可能存在磁单极子的原因:

1.宇宙射线中本身可能含有宇宙形成时遗留的磁单极子;

2.高能宇宙射线粒子同大气原子、离子等碰撞而产生磁单极子对。

宇宙中磁单极总量已经极小的情况下,要想检测到单

独的磁单极子,概率极小!可能大部分情况磁单极子

以磁单极子对的形式出现又重新结合湮灭。


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测量磁场最灵敏的超导量子干涉式磁强计当磁单极子对同时(或者几乎同时)穿过仪器时,磁通量

。这样超导线圈中磁

通量不变,没有感生电流,仪器却认为没有磁单

极子通过。这是非常遗憾的!


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结合两个实验优点的实验装置

给超导量子干涉式磁强计

外加一个稳定的强磁场。B=1T时,荷质比

的磁单极子在作用

下将产生加速度:

改进设想:

正负磁单极子受力方向相反将分离。


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电约束: 的应用,不均匀的磁场能对电荷进行磁约束,那么不均匀的电场也能对磁荷进行电约束。

电镜:设计一个两头强、中间弱的不均匀电场(均匀磁介质中电位移场D与电场具有相同构象)。

电约束:磁约束的对称


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完全类似的实验规律:

  • 当磁单极子置于这种电场中,在力 作用下将沿电场线作螺旋运动。磁单极子总受到一个指向弱电场方向的作用力。这样,磁单极子在磁场中来回运动不能逃出。

类似磁约束,电约束满足规律


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电约束优点:新版守株待兔

  • 相比于磁镜,电镜的电场线可用一个距离较宽的类似电容器的装置产生,比磁感线形状更容易控制,且工作时不用通以电流,不消耗能量。设想可以把这种装置送上太空,工作在电离层以外,像一个捕鱼的竹笼,守候磁单极子的到来,对它进行捕捉。


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电约束的不足:

  • 正如磁镜,电镜也不是一种理想约束装置,然而磁镜可改进为环形磁瓶,但稳定的环形电场却不容易实现。

  • 根据 ,因为磁流不存在,

    所以要得到稳定的环形电场,需要一个稳定线性变化的磁场。想要直接实现是非常困难的。工程上也许能解决这个问题。


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总结:

  • 通过以上讨论我们的确看到了电磁学理论的完美对称,也因为这种对称性,我们可以充分发挥想象对现有的研究电荷的实验装置进行改造。若能发现磁单极子,质谱仪等一系列装置可以相应改造以便研究。

  • 由于本人数学知识有限,所以单从对称角度考虑电磁学,做到了物理直观,但也失之于数学的不严谨。


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参考书目:

《电磁学》张玉民 戚伯云 科学出版社

《当代磁学》李国栋 中国科学技术大学出版社

《电磁学专题研究》 陈秉乾 舒幼生 胡望雨 高等教育出版社

《电磁理论导引》方能航 科学出版社

《电动力学》尹真 科学出版社


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