ความสามารถของแม่เหล็ก monopole •อิกอร์ Ivanov •งานวิทยาศาสตร์ยอดนิยมใน "องค์ประกอบ" •ฟิสิกส์

ความสามารถของแม่เหล็กโมโนโพล

กฎหมายที่อธิบายสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีความคล้ายคลึงกันมากและรวมกันเป็นระบบสมการเดียว อย่างไรก็ตามในแง่มุมหนึ่งเขตข้อมูลเหล่านี้มีความแตกต่างกันมาก: ค่าไฟฟ้าจะเต็มและ monopoles แม่เหล็ก (เรียกว่าค่าแม่เหล็กแยกต่างหาก) ไม่มี มีอย่างใดหรือพวกเขา แต่เราก็ยังไม่ได้พบ – คำถามเปิด แต่อย่างน้อยทั้งหมดที่ electrodynamics ที่ใช้ในฟิสิกส์เทคโนโลยีและชีวิตประจำวันอยู่บนพื้นฐานของสมมติฐานที่ว่า monopoles แม่เหล็กใน ธรรมชาติไม่มีอยู่จริง

อย่างไรก็ตามฟิสิกส์ทฤษฎีเป็นตัวหนาและอาจสนใจคำอธิบายทางทฤษฎีของปรากฏการณ์แม้ว่าจะไม่ได้สังเกตการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริงก็ตาม เมื่อคุณศึกษาสถานการณ์เช่นนี้คุณสามารถเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ เกี่ยวกับสมการของพลวัตไฟฟ้าและรู้สึกว่าความผิดปกติของปรากฏการณ์สมมุติเหล่านี้คืออะไร นอกจากนี้ไม่โทษ: บางทีประสบการณ์นี้จะเป็นประโยชน์ในอนาคตถ้านักฟิสิกส์สามารถตรวจพบปรากฏการณ์ในลักษณะที่คล้ายคลึงกับสมมุติฐานหนึ่งของเรา มองไปข้างหน้าเราบอกว่าความสัมพันธ์นี้เป็นไปอย่างสมเหตุสมผลอย่างเต็มที่ในกรณีของ monopoles แม่เหล็ก: มีผลการทดลองที่สามารถอธิบายได้อย่างสะดวกในแง่ของ "monopoles แม่เหล็ก" ที่มีประสิทธิภาพ

ลองพยายามที่จะเป็นตัวหนาและเราจะแก้ปัญหาที่แสดงให้เห็นถึงสถานที่ให้บริการความบันเทิงหนึ่งของ monopole แม่เหล็ก

มะเดื่อ 1 สนามแม่เหล็กจากโมโนโพลคล้ายกับสนามไฟฟ้าจากค่าประจุไฟฟ้าคงที่: เส้นสนามแตกต่างจากที่มีประจุและความเข้มลดลงตามกฎหมายตารางผกผัน ที่นี่ Q และ Qม. – ค่าไฟฟ้าและแม่เหล็กตามลำดับ

โมโนโพลแม่เหล็กคืออะไร? โดยการเปรียบเทียบกับค่าไฟฟ้านี่เป็นแหล่งกำเนิดของสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กจากโมโนโพลแบบคงที่มีลักษณะเหมือนกับสนามไฟฟ้าจากประจุไฟฟ้าสถิต: เส้นสนามแตกต่างกันไปเรื่อย ๆ จากแหล่งกำเนิดในทุกทิศทางและความแรงของสนามจะลดลงตามระยะห่างจากสัดส่วนที่แปรผกผันกับระยะทางของสแควร์ (รูปที่ 1) ปฏิสัมพันธ์ของสอง monopoles แม่เหล็กก็จะคล้ายกับการมีปฏิสัมพันธ์ของสองค่าไฟฟ้า: เช่นค่าใช้จ่ายการกันและกันดึงดูดคนตรงข้าม ตอนนี้ขอให้ซับซ้อนคำถาม: วิธีการที่จะดำเนินการ monopole แม่เหล็กในการคิดค่าไฟฟ้า? ถ้าอนุภาคทั้งสองอยู่ในส่วนที่เหลือไม่มีอะไรเกิดขึ้นเนื่องจากโมโนโพลแม่เหล็กจะสร้างสนามแม่เหล็กและประจุไฟฟ้าจะมีประจุเป็นไฟฟ้าเท่านั้นและพวกมันไม่ทำปฏิกิริยาต่อกันทั้งทางไฟฟ้าและทางแม่เหล็กและจะเกิดอะไรขึ้นหากพวกเขาย้ายญาติกันและกัน?

งาน

มะเดื่อ 2 คลาวด์มีประจุอยู่บนโมโนโพลแม่เหล็กคงที่ พิสูจน์ว่าหลังจากผ่านไปของเมฆบิดรอบแกนของการเคลื่อนไหว

ให้เราพิจารณา monopole แม่เหล็กคงที่ซึ่ง "เมฆ" ของค่าไฟฟ้าจุดบินจากที่ไกล (รูปที่ 2) ความเร็วเริ่มต้นของค่าใช้จ่ายทั้งหมดเท่ากันและขนานไปกับกันและกันเพื่อให้เมฆขยับโดยรวม (ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างอนุภาคของเมฆนี้จะถูกละเลย) พิสูจน์มันว่าหลังจากผ่าน monopole, เมฆนี้ท่ามกลางสิ่งอื่น ๆ จะเริ่มหมุนรอบแกนของการเคลื่อนไหวเริ่มต้น เพื่อความเรียบง่ายสมมติว่ามุมของการเบี่ยงเบนของการชาร์จแต่ละครั้งในช่องโมโนโพลเป็นเรื่องเล็ก


ช่วย

เมื่อปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างข้อเสนอถูกเสนอให้ละเลยแล้วผลกระทบบางอย่างควรประจักษ์เองสำหรับแต่ละอนุภาคแยกต่างหากและเพียงแล้วมันจะกลายเป็นภาพที่เกิดขึ้นในการหมุนของเมฆทั้งหมด ดังนั้นเริ่มต้นด้วยงานที่เรียบง่ายขึ้น: อนุภาคที่มีประจุหนึ่งตัวบินผ่าน monopole ในระยะทางหนึ่ง หาว่าอะไรกำลังกระทำบนนั้นที่บังคับนี้เป็นทิศทางและวิธีการที่จะส่งผลกระทบต่อวิถีของอนุภาคจากนั้นลองนึกภาพหลาย ๆ อนุภาคเคลื่อนที่ในหลักสูตรคู่ขนานและติดตามการเปลี่ยนแปลงในวิถีของแต่ละคนและหลังจากนั้นก็นึกภาพพฤติกรรมการสะสมของคลาวด์ทั้งหมด


การตัดสิน

เป็นอนุภาคประจุที่เคลื่อนที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก B, Lorentz บังคับกระทำ:

ความแรงสนามแม่เหล็กจากโมโนโพลแสดงโดยสูตร:

ที่นี่ หมายถึงเวกเตอร์หน่วยที่กำกับจากโมโนโพลเพื่อเรียกเก็บเงิน ทั้งสองสูตรเหล่านี้ถูกเขียนขึ้นในระบบตามธรรมชาติของหน่วย GHS ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ถ้าเราเปลี่ยนสูตรที่สองเป็นอันดับแรกเราก็จะได้แรงที่กระทำต่ออนุภาคที่ผ่านไป

มะเดื่อ 3 แรงที่ทำหน้าที่ในการชาร์จ, การบินผ่าน monopole แม่เหล็ก

ในปัญหานี้เราไม่สนใจสูตรเหล่านี้เอง แต่ที่บังคับให้เป็นผู้กำกับ ปล่อยให้อนุภาคบินตามที่แสดงในรูป 3. เรารู้ด้วยเงื่อนไขว่าวิถีไม่ได้เบี่ยงเบนไปอย่างมาก แต่เราไม่ทราบในทิศทางใด คำตอบสำหรับคำถามนี้เพียงให้สูตรที่เขียนข้างต้น พวกเขาบอกว่าทิศทางของแรงจะถูกกำหนดโดยผลิตภัณฑ์เวกเตอร์ของความเร็วและเวกเตอร์รัศมีหน่วยถ้าอนุภาคเคลื่อนที่เหมือนในรูปที่ 3 แล้วทั้งสองของพาหะเหล่านี้อยู่ในระนาบของรูป (และไม่ขนานกับแต่ละอื่น ๆ ) ซึ่งหมายความว่าผลิตภัณฑ์เวกเตอร์ของพวกเขาเป็นผู้กำกับ ดิ่ง ระนาบของภาพ สำหรับวิถีโคจรด้านบนนี่คือทิศทางจากรูปแบบที่เราสำหรับเส้นทางที่ต่ำกว่า – จากเราลึกเข้าไปในรูปแบบ ข้อสรุปนี้ใช้ได้กับทุกจุดของวิถี ดังนั้นเมื่ออนุภาคเหล่านี้บินผ่าน monopole trajectories ของพวกเขาจะเบี่ยงเบนไปในทิศทางเดียวกันนั่นคือ พวกเขาจะออกมาจากเครื่องบินของรูปหนึ่งสูงขึ้นเล็กน้อยอีกเล็กน้อย (รูปที่ 4)

มะเดื่อ 4 แรงจากด้านข้างของโมโนโพลจะกระจายตัวของอนุภาคไปทางด้านข้างราวกับบิดไปรอบ ๆ แกนของการเคลื่อนที่

ในทำนองเดียวกันเราทำหน้าที่เป็นอนุภาคอื่น ๆ : เราจำเป็นต้องจินตนาการเครื่องบินใหม่ (ซึ่งจะได้จากเวกเตอร์ความเร็วและ ) และปฏิเสธเส้นทางจากระนาบนี้ วิถีของอนุภาคแต่ละตัวจะเบี่ยงเบนไปในทิศทางเดียวเช่นไปทางขวาตามเข็มนาฬิกาเมื่อมองจากทิศทางที่อนุภาคมาถึง (ทิศทางนี้จะถูกกำหนดโดยสัญญาณของค่าใช้จ่าย) ดังนั้นผลสะสมสำหรับทั้งเมฆเป็นผลจะมีลักษณะเช่นในมะเดื่อ 2

เราเน้นย้ำว่าหลังจากผ่าน monopole แล้วเมฆจะไม่เพียง แต่หมุนตัวเท่านั้น แต่ยังขยายตัวเนื่องจากเส้นทางโคจรของอนุภาคแต่ละตัวจะไม่ขนานกันอีกต่อไปแต่การขยายตัวดังกล่าวเกิดจากการรบกวนทางไฟฟ้าจะเกิดขึ้นทั้งแรงไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วง ความไม่ชอบมาพากลของการปฏิสัมพันธ์ในคู่ "โมโนโพล + ค่าใช้จ่าย" เป็นอย่างแม่นยำในผลใหม่ในการหมุน ในขณะที่การขยายตัวของระบบคลาวด์ไม่ได้เป็นที่น่าสังเกตมากนักเราสามารถพูดได้ ช่วงผ่าน monopole เพียงลำเลียงไปยังเมฆชนิดของช่วงเวลาการหมุนเชิงกล. และมันเกิดขึ้นได้อย่างแม่นยำเพราะในคู่ของ "ค่าใช้จ่าย + โมโนโพล" กองกำลังกระทำ "ด้านข้าง" ไม่ "พร้อม"


เล่ม

ปัญหาเรื่องการกระจายตัวของประจุในโมโนโพลแม่เหล็กค่อนข้างรวย สามารถดูได้ที่ระดับความรุนแรงที่ต่างกันและในแต่ละครั้งจะพบผลกระทบที่น่าขบขัน ในปัญหานี้มีเพียงขั้นตอนแรกเท่านั้นที่ได้รับการอธิบายภาพโดยรวมของการกระเจิง ขั้นตอนต่อไปที่ผู้อ่านสามารถทำด้วยตัวเองคือการประมาณมุมของการเบี่ยงเบนของอนุภาคแต่ละตัวตามลำดับความสำคัญที่ยังคงพิจารณาว่ามุมนี้มีขนาดเล็ก นอกจากนี้ยังสามารถประมาณขนาดของโมเมนตัมเชิงมุมที่ได้จากเมฆ คำตอบโดยวิธีการที่จะง่ายอย่างแปลกใจ

มะเดื่อ 5 สนามแม่เหล็กที่ส่วนท้ายของแม่เหล็กธรรมดายาวและบางคล้ายกับสนามจากโมโนโพลซึ่งหมายความว่ามันยังมีความสามารถในการบิดอนุภาคประจุที่บินผ่านนักฟิสิกส์ได้สามารถใช้คุณสมบัตินี้เพื่อหาคลื่นอิเล็กตรอนหมุนได้ ภาพจาก A. Béché et al., 2013. สนามแม่เหล็กโมโนโพลที่สัมผัสโดยอิเล็กตรอน

ขั้นตอนต่อไปคือการแก้ปัญหาเดียวกัน แต่ไม่มีสมมติฐานของมุมเล็ก ๆ ของการโก่ง ที่นี่วิถีไม่เพียง แต่เบี่ยงเบนไปด้านข้างอย่างมาก แต่ยังบิดในการจัดเรียงของเกลียวของสนามตัวแปร นอกจากนี้เช่นวิถีโคจรที่ซับซ้อนมีคุณลักษณะอย่างหนึ่ง: มันสมบูรณ์อยู่บนพื้นผิวของกรวยบางที่ปลายซึ่งมี monopole คุณสมบัติที่น่าอัศจรรย์เช่นนี้สามารถมาจากกฎของกลศาสตร์ของร่างกายซึ่งมีผลต่อแรง Lorentz

ทุกอย่างเกี่ยวข้องกับการกระเจิงของอนุภาคแบบดั้งเดิม แต่ปัญหาเดียวกันสามารถกำหนดได้ในกรอบของกลศาสตร์ควอนตัม: สมมุติว่าคลื่นอิเล็กตรอนจะกระจัดกระจายไปอย่างไรถ้าโดนโมโนโพลแม่เหล็ก? นี่เป็นกลุ่มย่อยใหม่ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับคำอธิบายของทั้งโมโนโพลแม่เหล็กและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามของมัน แต่ผลที่ได้จากคุณภาพจะเหมือนกับในปัญหาของเรา: คลื่นอิเล็กตรอนหลังจากที่เที่ยวบินจะหมุน.

แนวโน้มนี้จะบิดหลังจากผ่าน monopole มีการทดลองใช้เพื่อสร้างอิเล็กตรอนบิดเบี้ยว (รูปที่ 5)แน่นอนว่า monopole ไม่ใช่ของจริงที่นี่ แต่ใกล้เคียงกัน – เพียงแค่สนามแม่เหล็กที่อยู่ใกล้กับปลายของแม่เหล็กธรรมดายาวและบาง ๆ ดูคล้ายฟิลด์โมโนโพล แต่วิธีการยังคงทำงาน นักฟิสิกส์ได้ใช้ผลที่คล้ายคลึงกันเป็นเวลานานในการทดลองในการค้นหา monopoles ตามธรรมชาติ เฉพาะในกรณีนี้มันไม่ใช่อิเล็กตรอนที่บินเข้าไปในโมโนโพล แต่โมโนโพลจะต้องบินผ่านตัวนำยิ่งยวด จากนั้นในระหว่างทางจะหมุนความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวดนั่นคือจะทำให้เกิดกระแสที่ต่อเนื่องในวงแหวนซึ่งสามารถลงทะเบียนได้ การทดลองดังกล่าวกำลังดำเนินอยู่อย่างต่อเนื่อง แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีสัญญาณที่เชื่อถือได้ในฟิสิกส์

ดังนั้นเราสามารถกล่าวได้อย่างถูกต้องว่าในปัญหาของเราในระดับคุณภาพผลที่ใช้อยู่แล้วในฟิสิกส์ทดลองสมัยใหม่ถูกจับ


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

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