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1、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,全文大纲,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。,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,I am dominant!,Dont forget me!,一段不能遗忘的故事.,对称的深层关系：对偶原理,电磁对称关系一览表：,实验篇,三种实验装置： 1.加速器 2.磁强计的改进设想
2、 3.电约束,More powerful,More accurate,More economical,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，,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。,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
3、过多次探测并提高仪器灵敏度也未能得到重复。,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。,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！,改进设想：,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
4、磁场。B=1T时，荷质比 为 的磁单极子在作用 下将产生加速度：,正负磁单极子受力方向相反将分离。,电约束：磁约束的对称,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）。,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,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
5、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。,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。,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。,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,谢谢！,