Magnetinio monopolio sugebėjimai • Igoris Ivanovas • Populiariosios mokslinės užduotys "Elementuose" • Fizika

Magnetinio monopolio sugebėjimai

Elektros ir magnetiniai laukai apibūdinami įstatymai yra labai panašūs ir kartu sudaro vieningą lygčių sistemą. Tačiau viename aspektu šie laukai yra labai skirtingi: elektros laidai yra pilni, ir magnetiniai monopoli (vadinamieji atskiri magnetiniai mokesčiai) Nr. Ar apskritai ar jie yra, bet mes dar nesutikome – atviras klausimas, bet bent jau visa elektrodinamika, naudojama fizikoje, technologijoje ir kasdieniame gyvenime, grindžiama prielaida, kad magnetiniai monopoli gamta neegzistuoja.

Nepaisant to, teorinė fizika yra drąsus žmogus ir gali būti suinteresuota teoriniu reiškinio apibūdinimu, net jei jis realiame pasaulyje nematomas. Tiesiog tuomet, kai studijuosi tokias situacijas, galėsite išmokti ką nors naujo apie elektrodinamikos lygtis ir pajusti, koks yra šių hipotetinių reiškinių neįprastas dalykas. Be to, nereikia atsisakyti: gal ši patirtis bus naudinga ateityje, jei fizikai sugebės aptikti reiškinį, kuris yra šiek tiek panašus į mūsų hipotetinį. Žvelgiant į ateitį, mes sakome, kad šie santykiai yra visiškai pagrįsti magnetinių monopolių atveju: jau yra eksperimentinių rezultatų, kuriuos galima patogiai apibūdinti "veiksmingų" magnetinių monopolių atžvilgiu.

Pabandykime būti drąsus ir išspręstume problemą, kuri iliustruoja vieną įdomų magnetinio monopolio turtą.

Pav. 1. Magnetinis laukas iš monopolio primena elektrinį lauką iš fiksuoto elektrinio krūvio: lauko linijos radialiai skiriasi nuo krūvio, o jos intensyvumas nukrinta pagal atvirkštinio kvadrato teisę. Čia q ir qm – elektriniai ir magnetiniai mokesčiai, atitinkamai

Taigi, kas yra magnetinis monopolis? Pagal analogiją su elektriniu krūviu tai tam tikras magnetinio lauko taškas. Magnetinis laukas iš stacionaraus monopolio atrodo taip pat kaip ir elektrinis laukas iš stacionaraus elektros krūvio: lauko linijos radialiai skiriasi nuo šaltinio visomis kryptimis, o lauko stipris silpnėja, nes atstumas nuo jo yra atvirkščiai proporcingas atstumo kvadratui (1 pav.). Dviejų magnetinių monopolių sąveika taip pat būtų panaši į dviejų elektrinių sąveikų sąveiką: panašūs mokesčiai atskleidžia vienas kitą, pritraukia priešingas. Dabar apsunkinsime klausimą: kaip magnetinis monopolis veiks elektriniu krūviu? Jei abi dalelės yra ramybės, tai nieko, nes magnetinis monopolis sukuria tik magnetinį lauką, o elektros krūvis yra tik elektrinis, o elektromechaninėse ir magnetostatinėse sistemose jie neveikia.O kas atsitiks, jei jie judės viena nuo kitos?

Užduotis

Pav. 2 Mokesčio debesis skrenda fiksuoto magnetinio monopolio. Įrodykite, kad po debesies praeiti aplink sukimosi ašį

Pažvelkime į fiksuotą magnetinį monopolią, kurio taškų elektrinių krūvių "debesis" plaukia iš toli (2 pav.). Pradiniai greičiai visi mokesčiai buvo lygūs ir lygiagrečiai vienas su kitu, taigi debesis judėjo kaip visuma (elektros sąveika tarp šio debesies dalelių yra ignoruojama). Įrodyk taikad, praėjęs per monopolį, šis debesis, be kita ko, pradės pasisukti aplink pradinio judesio ašį. Paprastumo dėlei manau, kad kiekvieno įstrižo kampo kampas monopolyje yra mažas.


Užuomina

Kai siūloma užkirsti kelią elektros sąveikai tarp krūvių, tam tikras poveikis turėtų atsiskirti kiekvienai dalelėms atskirai, ir tik tada jis bus vizualiai suformuotas į viso debesies sukimąsi. Todėl pradėkite nuo supaprastintos užduoties: viena užpildyta dalelė nukrypsta nuo monopolio tam tikru atstumu. Sužinokite, kokia jėga veikia jai, kur ši jėga nukreipta ir kaip ji paveiks dalelių trajektoriją.Tada įsivaizduokite keletą dalelių, judančių lygiagrečiaisiais kursais, ir sekti kiekvieno iš jų trajektorijos pokyčius, o jau po to įsivaizduokite viso debesies kaupiamą elgesį.


Sprendimas

Į krintančią dalelę, judančią magnetiniame lauke B, Lorentso jėga veikia:

Magnetinio lauko stiprumas iš monopolio yra išreiškiamas pagal formulę:

Čia žymi vienetinį vektorių, nukreiptą nuo monopolio į krūvį. Abi šios formulės yra parašytos natūralioje GHS vienetų sistemoje, kuri yra tinkama elektromagnetinių reiškinių apibūdinimui. Jei mes pakeisime antrąją formulę į pirmąją, tada gauname jėga, veikianti dalelę, kuri eina per.

Pav. 3 Jėga, veikianti ant krūvio, praeina pro magnetinį monoplą

Šioje problemoje mes nesidomekomės šiomis formulėmis patys, bet kur jėga nukreipta. Tegul dalelė skrenda, kaip parodyta fig. 3. Žinome, kad trajektorija labai nesiskiria, bet mes nežinome, kuria kryptimi. Atsakymas į šį klausimą tiesiog pateikia pirmiau parašytas formules. Jie sako, kad jėgos kryptį lemia vektorinis greičio ir vienetinio spindulio vektoriaus produktas.Jei dalelė juda taip, kaip pavaizduota 3 paveiksle, tada abu šie vektoriai yra paveikslo plokštumoje (ir nėra lygiagretūs vienas kitam), o tai reiškia, kad jų vektorinis produktas yra nukreiptas statmenai paveikslėlio plokštuma. Viršutinėje trajektorijoje ši kryptis yra iš mūsų modelio, žemesnės trajektorijos – nuo mūsų giliai į modelį. Ši išvada galioja bet kuriai trajektorijos vietai. Todėl, kai šios dalelės skrenda praeityje monopolyje, jų trajektorijos nukrypsta toje pačioje kryptyje, t. Y. jie išeis iš figūros plokštumos, vienas šiek tiek didesnis, kitas šiek tiek žemesnis (4 pav.).

Pav. 4 Jėga iš monopolio šono skleidžia porą dalelių į šonus, tarsi sukdami aplink judesio ašį.

Panašiai mes elgiamės ir su bet kuria kita dalimi: mums tiesiog reikia įsivaizduoti naują plokštumą (tai nurodo greičio vektoriai ir ) ir atmesti kelią nuo šios plokštumos. Kiekvienos dalelės trajektorija nukryps į vieną pusę, pvz., Dešinėn, pagal laikrodžio rodyklę, žiūrint iš krypties, iš kurios atsirado dalelės (šią kryptį nustato mokesčio ženklas). Todėl rezultatas sukauptas viso debesies poveikis atrodys taip, kaip parodyta fig. 2

Mes pabrėžiame, kad, praeisdamas monopolį, debesys, žinoma, ne tik sukasi, bet ir išplės, nes atskirų dalelių trajektorijos nebėra vienodos.Tačiau tokia plėtra, kurią sukelia varomosios jėgos pasipiktinimas, bus tiek elektros, tiek gravitacinės jėgos. Santykio ypatumas poroje "monopolis + įkrova" yra būtent naujame efekte, sukimosi kryptimi. Nors debesies išplėtimas nėra pernelyg pastebimas, galime tai pasakyti per monopolį tiesiog perduodama į debesį tam tikru mechaniniu sukimosi momentu. Ir tai atsiranda būtent todėl, kad per porą "mokestis + monopolis" jėgos veikia "šonu", o ne "kartu".


Po žodžio

Magnetinio monopolio krūvio sklaidos problema gana gausa. Jis gali būti vertinamas įvairiais sunkumo laipsniais ir kiekvieną kartą rasti juokingus efektus. Šioje problemoje buvo imtasi tik pirmojo žingsnio – išsiaiškintas bendras išsisklaidymo vaizdas. Kitas žingsnis, kurį gali padaryti pats skaitytojas, yra įvertinti kiekvienos dalelės deformacijos kampą pagal dydį, vis dėlto atsižvelgiant į tai, kad šis kampas yra mažas. Taip pat galima įvertinti debesies įgyto kampo momento vertę; atsakymas, beje, bus stebėtinai paprastas.

Pav. 5 Magnetinis laukas ilgio ir plono paprasto magneto pabaigoje primena lauką iš monopolio, o tai reiškia, kad jis taip pat gali suktis įžemintų dalelių.Fizikai jau galėjo panaudoti šį turtą, kad gautų sukimosi elektronines bangas. Vaizdas iš A. Béche ir kt., 2013. Elektronų magnetinio monopolio laukas

Kitas žingsnis yra išspręsti tą pačią problemą, tačiau be prielaidos apie mažus deformacijos kampus. Čia trajektorija gali ne tik labai nukrypti į šonus, bet ir suktis kintamojo pikio spirale. Be to, tokia sudėtinga trajektorija turi vieną požymį: ji visiškai lieka tam tikro kūgio paviršiuje, kurio viršūnėje yra monopolis. Toks nuostabus turtas taip pat gali būti gaunamas iš kūnų mechanikos, kuri sąveikauja per Lorentso jėgą, įstatymais.

Visa tai buvo susiję su klasikinių dalelių sklaida. Bet tą pačią problemą galima suformuluoti ir pagal kvantinę mechaniką: tarkime, kaip elektronų banga bus išsibarstyta, jei ji nukris į magnetinį monopolią? Čia yra visa eilė naujų subtilumų, susijusių su aprašymu tiek paties magnetinio monopolio, tiek elektrono judesio jo lauke. Tačiau kokybės rezultatas bus toks pat kaip mūsų problema: elektroninė banga po skrydžio sukurs.

Ši tendencija pasukti, praeinant monopolį, jau eksperimentuojama naudojama sukurtoms elektronoms (5 pav.).Žinoma, monopolis čia nėra tikras, bet apytikslis – tik magnetinis laukas netoli ilgio ir plono paprasto magneto galo atrodo labai panašus į monopolį. Tačiau šis metodas vis dar veikia. Fizikai ilgesnį laiką panašią įtaką padarė eksperimentuose dėl natūralių monopoliukų paieškos. Tik šiuo atveju ne elektronai, kurie skrenda į monopolį, bet pats monopolis turi skristi per superlaidį. Tada per jo praėjimą jis "sukels" elektronų tankį supravadoje, ty jis sukurs nuolatinę srovę žiede, kurį galima užregistruoti. Tokie eksperimentai iš tiesų vyksta, tačiau kol kas nėra patikimų fizikos signalų.

Taigi galime teisingai pasakyti, kad mūsų probleme kokybiniu lygmeniu užfiksuotas poveikis, kuris jau naudojamas šiuolaikinėje eksperimentinėje fizikoje.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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