Магнитті монополияның мүмкіндіктері • Игорь Иванов • «Элементтер» бойынша танымал ғылым тапсырмалары • Физика

Магнитті монополдың мүмкіндіктері

Электр және магнит өрістерін сипаттайтын заңдар өте ұқсас, және олар бірге теңдеулердің бірыңғай жүйесін құрайды. Алайда, бір жағынан, бұл өрістер өте өзгеше: айналадағы электр заряды толығымен және магнитті монополиялар (жеке магниттік заряд деп аталатын) №. Жоқ, мүлдем бар ма, әлде жоқ па, бірақ біз әлі кездескен жоқпыз – ашық мәселе, бірақ физикада, технологияда және күнделікті өмірде қолданылатын барлық электродинамика, ең бастысы, магниттік монополиялардың табиғат жоқ.

Дегенмен, теориялық физика батыл адам болып табылады және нақты әлемде байқалмаса да, феноменнің теориялық сипаттамасына қызығушылық танытуы мүмкін. Мұндай жағдайларды оқығанда, сіз электродинамиканың теңдеулері туралы жаңа нәрсені біле аласыз және бұл гипотетикалық құбылыстардың ерекше емес екенін сезінесіз. Сонымен қатар, кінәлі емес: егер бұл физика фантоменін анықтай алатын болса, бұл тәжірибе болашақта пайдалы болады. Алда келе, бұл қатынас магниттік монополиялар жағдайында толығымен ақталған дейді: «тиімді» магниттік монополияларда ыңғайлы түрде сипатталуы мүмкін тәжірибелік нәтижелер бар.

Батыл болуға тырысайық және магниттік монополдың бір ойын-сауық қасиетін суреттейтін мәселені шешеміз.

Сурет. 1. Монополдан алынған магнит өрісі тіркелген электрлік зарядтың электр өрісіне ұқсайды: өріс сызығы заряддан радиалды бөлінеді және оның қарқындылығы кері квадрат заңына сәйкес төмендейді. Мұнда q және qм тиісінше электр және магниттік зарядтар

Магнитті монополия дегеніміз не? Электр зарядымен ұқсас, бұл магнит өрісінің нүктелік көзі. Стационарлық монополдың магнит өрісі стационарлық электр зарядының электр өрісі сияқты көрінеді: өріс сызығы барлық бағытта көзден радиалды бөлінеді, ал қашықтықтың қашықтығына кері пропорционалды өріс күші әлсірейді (1-сурет). Екі магниттік монополдың өзара әрекеттесуі екі электр зарядтарының өзара әрекеттесуіне ұқсас болады: зарядтардың бір-бірін керіп, керісінше тартады. Енді мәселені қиындатып алайық: магнитті монополе электр зарядында қалай әрекет етеді? Егер екі бөлшектер де тыныштықта болса, онда ештеңе болмайды, өйткені магниттік монополия магнит өрісін ғана жасайды, ал электр заряды тек электрлік және электр және магнетостатикада бір-біріне әсер етпейді.Ал егер олар бір-біріне қатысты жылжып кетсе, не болады?

Тапсырма

Сурет. 2 Белгіленген магниттік монополада зарядталған бұлт шығады. Бұлтты өтуден кейін қозғалыс осі айналасына айналады

Белгіленген магниттік монополды қарастырайық, онда «нүктелік» электрлік зарядтардың алыстағынан ұшып кетеді (Cурет 2). Барлық зарядтардың бастапқы жылдамдықтары біртұтас және бір-біріне параллель болды, сондықтан бұлтты тұтас алғанда жылжиды (бұл бұлттың бөлшектерінің электрлік өзара әрекеті ескерілмеген). Оны дәлелдеумонополды өтіп кеткеннен кейін, бұл бұлт, басқалармен қатар, бастапқы қозғалыс осінің айналасында айнала бастайды. Қарапайымдық үшін, монополды өрістегі әрбір зарядтың бұрылу бұрышы аз емес деп есептейік.


Кеңестер

Электр заряды арасындағы өзара әрекеттесуді ескермеу ұсынылғаннан кейін, белгілі бір əсер əрбір бөлшектерге бөлек көрсетілуі керек, содан кейін ол бүкіл бұлттың айналуына көзбен қарай болады. Сондықтан, жеңілдетілген тапсырмадан бастаңыз: бір зарядталған бөлшектер біршама қашықтықта монополды өткізеді. Қандай күшіне әрекет ететінін біліңіз, онда бұл күш бағытталған және бұл бөлшектердің траекториясына қалай әсер етеді.Содан кейін параллельді курстарда жүріп жатқан бірнеше бөлшектерді елестетіп, олардың әрқайсысы үшін траекториядағы өзгерістерді байқап көріңіз және содан кейін бүкіл бұлттың кумулятивті мінез-құлқын елестетіңіз.


Шешім

Зарядталған бөлшектердің магнит өрісінде қозғалуы B, Лоренцтің күші әрекет етеді:

Монополиядан магнит өрісінің беріктігі келесі формула бойынша анықталады:

Мұнда монополдан зарядқа бағытталған бірлік векторын білдіреді. Бұл екі формула да электромагниттік құбылыстарды сипаттау үшін ыңғайлы GHS бөлімдерінің табиғи жүйесінде жазылған. Егер екінші формуланы біріншісіне алмасақ, онда біз өтетін бөлшектерге әсер ететін күшті аламыз.

Сурет. 3 Магнитті монополиядан өтіп бара жатқан зарядта әрекет ететін күш

Бұл мәселеде біз бұл формулаларға өзімізді қызықтырмаймыз, алайда күш қайда бағытталса. Бөлшектің фигурада көрсетілгендей ұшуына мүмкіндік беріңіз. 3. Траектория қатты ауытқып кетпесе, біз қай бағытта білеміз. Бұл сұраққа жауап тек жоғарыда жазылған формулаларды береді. Олар күштің бағыты жылдамдықтың векторлық өнімі және радиус векторының бірлігі арқылы анықталады.Егер бөлшек 3-суреттегідей болса, онда осы екі вектордың суретін жазықтықта жатқызады (және бір-біріне параллель емес), яғни олардың векторлық өнімі перпендикуляр суреттің жазықтығы. Үстіңгі траектория үшін бұл бағыт бізде үлгіден, төменгі траектория үшін – бізден тереңдікке дейін. Бұл тұжырым траекторияның барлық нүктелеріне жарамды. Сондықтан, бұл бөлшектер монополды өткеннен кейін, олардың траекториясы сол бағытта ауытқып кетеді. олар суреттің жазықтықынан шығып, біреу сәл жоғары, екіншісі сәл төмен (4-сурет).

Сурет. 4 Монополия жағынан күш қозғалыстың осі айналасында бұралу секілді жақтарға жұп бөлшектерді таратады.

Сонымен қатар, біз кез-келген басқа бөлшектер үшін әрекет етеміз: біз жаңа ұшақты елестетуіміз керек (бұл жылдамдық векторлары мен ) және осы жазықтықтан жолды қабылдамайды. Әр бөлшектердің траекториясы бөлшектердің бағытымен (бұл бағыт зарядтардың белгілерімен анықталады) бағытта қаралған кезде, мысалы, оңға қарай, бір бағытта ауытқиды. Демек, бүкіл бұлттың нәтижесі ретінде кумулятивтік нәтиже фиг. 2

Монополды өткізгеннен кейін, бұлшықет, әрине, айналдырып қана қоймай, кеңейе түседі, өйткені жеке бөлшектердің траекториясы бір-біріне параллель болмайды.Бірақ мұндай наразылық, электр наразылық туындаған, электр және гравитациялық күштер үшін де болады. «Монопол + заряд» буындағы өзара әрекеттесудің ерекшелігі жаңа әсерде, ротацияда. Бұлтты кеңейту өте байқалмаса да, біз мұны айта аламыз бұлшықетке тек механикалық айналмалы сәттің түріне жеткізілетін монополдың арасы. Және дәл солай болады, өйткені жұпта «заряд + монопол» күші «бойымен» емес, «керісінше» әрекет етеді.


Кейінгі сөз

Магнитті монополада зарядтау шашырау мәселесі өте бай. Оны әртүрлі деңгейлерде көруге болады және әрбір кезде қызықты әсерлері бар. Бұл мәселеде тек алғашқы қадам жасалды – шашыраудың жалпы көрінісі анықталды. Оқырман өз бетімен жасауға болатын келесі қадам – ​​бұл бұрыштың аз екенін ескере отырып, әрбір бөлшектің бұрылысын шамалы тәртіп бойынша бағалау. Бұлтта сатып алынған бұрыштық моменттің шамасын бағалауға болады; жауап, сөзсіз, таңқаларлық қарапайым болады.

Сурет. 5 Ұзын және жіңішке қарапайым магниттің соңындағы магнит өрісі монополдан алынған далаға ұқсайды, бұл сонымен қатар, ұшып бара жатқан зарядталған бөлшектерді бүгуге қабілетті екенін білдіреді.Физиктер қазірдің өзінде осы қасиетті электронды толқындарды айналдыру үшін пайдалана алады. A. Béch et al., 2013. Магнитті монополды өріс электрондарға әсер етеді

Келесі қадам – ​​бірдей проблеманы шешу, бірақ бұрылыстардың кіші бұрыштарын жоққа шығару. Мұнда траектория қатты бүйірден ауытқып қана қоймай, ауыспалы қадамның спираль түрінде де бұрыла алады. Оның үстіне, мұндай күрделі траекторияның бір ерекшелігі бар: ол толығымен монополды бар белгілі бір конустың бетінде жатыр. Бұл таңғажайып қасиетті Лоренц күші арқылы өзара әрекеттесетін дене механикасының заңдарынан да алуға болады.

Барлық классикалық бөлшектердің шашырауына қатысты. Бірақ сол мәселе кванттық механика шеңберінде тұжырымдалуы мүмкін: айталық, электронды толқындар магнит монополиясына түссе, қалайша шашыраңқы болады? Мұнда магнит монополдың өзі де, өз саласында электронның қозғалысы да сипатталған жаңа жұқа түйіндер бар. Бірақ сапа нәтижесі біздің мәселеміздегідей болады: ұшудан кейін электронды толқындар айналып өтеді.

Монополды өтіп кеткеннен кейін бұралудың бұл үрдісі бұралмалы электронды жасау үшін эксперименталды түрде қолданылады (5-сурет).Әрине, монополдың мұнда нақты емес, бірақ жақындағаны – ұзын және жіңішке қарапайым магниттің аяғына жақын магнит өрісі монополды өріске ұқсайды. Бірақ әдіс әлі де жұмыс істейді. Физиктер табиғи монополларды іздестіруде эксперименттерде ұқсас әсерді ұзақ уақыт пайдаланып келеді. Тек бұл жағдайда монополға ұшатын электрондар емес, монополдың өзі суперөткізгіш сақина арқылы ұшуға тиіс. Содан кейін, оның өтуі кезінде ол суперөткізгіштегі электрондардың тығыздығын «айналдырады», яғни ол сақинадағы үздіксіз ток тудырады. Мұндай эксперименттер шынымен де жүріп жатыр, бірақ әзірге ешқандай физика сигналы жоқ.

Сонымен, біздің проблемамызда, сапалы деңгейде қазіргі заманғы эксперименталды физикада қолданылған әсері бар екенін дұрыс айта аламыз.


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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