磁单极子及磁洛伦兹力的探讨————对电磁对称美的深究

1、磁单极子及磁洛伦兹力的探讨 对电磁对称美的深究对电磁对称美的深究 05级力学系 李志涛指导老师 翁惠民 全文大纲全文大纲 理论篇l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l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。Coulomb1212201214eeerq qfrr 1212201214mmmrq qfrr 对称的深层关系：对偶原理meHE meDB meEH meBDeqqmmeIImeme电磁对称关系一览表： 基本规

2、律 电 磁 库仑定律 高斯定理 安培环路定理 洛伦兹力公式洛伦兹力公式 守恒定律 0eeJt 0mmJtmmmfq Hq vD eeefq Eq vB mlsBE ldSIt elsDH ldSIt SD dSq eSB dSq m1212201214eeerq qfrr 1212201214mmmrq qfrr 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63 10/V m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 。72200,41 0BHNCs H能超过 数量级，磁场强度很大。710空气击穿电场为，电场强度难

3、以达到很大从能量角度上看，12mB H 12eE D 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。 8210/eVcm的能量， 磁强计的改进 尴尬的事实：n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超导量子干涉仪式磁强计式磁强计经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未能得到重复重复。 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

4、撞而产生磁单极子对磁单极子对。 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大部分情况磁单极子子以磁单极子对的形式出现又重新结合湮灭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磁单极子对同时（或者几乎同时）穿过仪器时，磁通极子对同时（或者几乎同时）穿过仪器时，磁通量量0mmmdSqqq SB。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磁场。B=1T时，荷质比为的磁单极子在作用下将产生加速度： 1

5、19.7310JA Kg1mmfHq 1727.743 10/am s。 正负磁单极子受力方向相反将分离。正负磁单极子受力方向相反将分离。电约束：磁约束的对称v电约束电约束： 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不均匀的电场也能对磁荷进行电约束。磁荷进行电约束。v 电镜电镜：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）。2mmfq vD 完全类似的实验规律：v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磁单极子总受到一个指向弱电场方向的作用力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

6、出。2mmfq vD 类似磁约束，电约束满足规律22MvmD电回旋电矩和速率v不变电约束优点：新版守株待兔n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：n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。n根据 ，因为磁流不存在, 所以要得到稳定的环形电场稳定的环形电场，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。mlsBE ld SIt 总结：n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。 n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。