Учебно-исследовательская работа «Загадки магнитного поля. Магнитный монополь»

Учебно-исследовательская работа

На тему: "Загадки магнитного поля"

Автор работы:

Ученица 11 класса

МБОУ Березовской СОШ

Карсекина Софья

2019 год

Оглавление:

1. Введение…....................................................................................................2

Актуальность...............................................................................................2

Цель……………………................................................................................2

Задачи…….....................................................................................................2

1. Основная часть……………………………………………………….......3

история вопроса…………………………………………………………..3

проводимые эксперименты……………………………………….......…9

1. Заключение………………………………………………………….…….13

2. Описание методики сбора материала…………………...……………..13

3. Литература………………………………………………….……………..1

4. Приложение……………………………………………………………......1

Исследовательская работа на тему "Загадки магнитного поля"

1. Перебирая домашнюю библиотеку, я наткнулась на книжку, название которой меня очень заинтересовало. Я решила её прочесть. Она в самом деле оказалось очень увлекательной. В ней рассказывалось о загадках квантовой механики и ядерной физики. Одна из тем меня особенно заинтересовала, но в книге не раскрывалось всё её понятие, эту тему оборвали на середине, не доведя до конца, поэтому я решила глубже рассмотреть и исследовать её. И в других источниках эта тема раскрывалась шире, с ней оказалось связано немало занимательных понятий из квантовой физики. И я начала искать все, что связано с этой темой. Этим всем оказался магнетизм или, что проще, магнитное поле.

В настоящее время магнитное поле – актуальная тема для научных исследований. Наука пытается познать то, что было недоступно в прошлом веке в силу недостаточного прогресса, а также отыскать альтернативные и доступные источники энергии. Не до конца изученное и относительно недавно открытое магнитное поле идеально подходит для первого и может таить в себе второе. И, кто знает, может в нем скрывается будущее?

Поэтому цель данной работы: познакомить вас с некоторыми основными единицами магнитного поля, благодаря которым, я думаю, оно и существует.

Для её достижения я поставила следующие задачи:

1. Изучить литературу по данному вопросу;

2. Собрать материал новых научных исследований;

3. Найти примеры и эксперименты, проводимые по этой теме;

4. Выяснить значение незнакомых терминов и формул;

5. Проанализировать полученные результаты и сделать собственные выводы.

2. Каждый человек из курса школьной физики знает, что электрическое и магнитное поля очень тесно связаны между собой, почти симметричным образом: электрический ток порождает магнитное поле, а изменение магнитного потока в замкнутом проводнике порождает электрический ток.

Из этого логично предположить, что все явления электричества и магнетизма должны быть симметричны друг другу. Однако основная система уравнений электродинамики (учения для электромагнитных явлений для макрообъектов), записанная во второй половине XIX века Дж. К. Максвеллом и описывающая обобщённо её всю, не имеет полной симметрии:

(1)

ЗдесьE­­­­­­­­­­­­­­ и Н – напряжённости электрического и магнитного полей, и – электрическая и магнитная абсолютные проницаемости, – удельная электрическая проводимость материальной среды, а ρ – объёмная плотность стороннего электрического заряда.

Например, уравнение (1d), которое называют теоремой Гаусса о потоке вектора электрической индукции, следует из закона Кулона и описывает результат электрической поляризации среды. А уравнение (1c), называющееся уравнением полного тока следует из Закона Ома электропроводности. Законы (1b) и (1a) описывают то же, но в магнитном поле.

Если проанализировать эти формулы, становится видно, что они описывают проявление свойств именно и только электрического заряда. А также, если исходить из того, что электрическое и магнитное поле симметричны, не совсем точно описывают их концепцию.

Поэтому в 1931 году Пол Дирак теоретически обосновал возможность существования квантовой электродинамики, включающей в себя существование магнитных зарядов, что приводило в симметрию уравнение Максвелла. Введённый им гипотетический магнитный заряд принято называть монополем Дирака.

Однако многолетний опыт физиков показывал, что отдельные магнитные заряды никогда не встречались в природе. Тогда бы их можно было разделить на северный и южный магнитный полюс, что никому не удавалось. (рис.1) Экспериментально обнаружить монополи Дирака никак не получалось. Но почему же, если, размышляя логически, ясно видно, что он есть? Ответы на эти вопросы можно найти, если проанализировать качественные рассуждения и расчёты, основанные на том, что монополь существует.

Во-первых, что такое гипотетический монополь Дирака? Это отдельный магнитный заряд, аналогичный электрическому заряду. Поэтому и вести себя по отношению к магнитному полю он должен аналогично электрическому заряду в электрическом поле. В частности, вокруг монополя должно возникать магнитное поле, то есть силовые линии магнитного поля должны начинаться или кончаться в магнитных зарядах; напряжённость магнитного поля, созданного точечным магнитным зарядом (для удобства введём ему буквенное обозначение μ) должна быть аналогична электрической и равна: ; и сила, действующая на магнитный заряд в магнитном поле должна быть равна: F= μE.

При движении в обычной среде монополь должен обрастать частицами, содержащими магнитные моменты. Ведь он, в сущности, похож на точечный полюс магнита, а если мы рассыплем металлические булавки и проведём над ними полюсовым магнитом, то они притянутся и облепят его. После обрастания магнитными моментами монополь должен увеличить свою массу. И, так как логично предположить, что он в магнитном поле движется, после этого он должен замедлиться.

А если монополь попадёт в среду, содержащую парамагниты, он должен начать притягиваться к ним и образовывать с ними сложные системы. Следовательно, обыкновенный магнит или железо должны быть настоящей ловушкой для монополей. Значит, магнетики и ферромагнетики можно использовать для накопления и последующего извлечения монополей, конечно, только если они стабильны, что можно легко доказать из закона сохранения электрического заряда (а мы помним, что монополь обладает схожими свойствами).

Так как при движении электронов возникает магнитное поле, то при движении монополей в среде тоже должно возникать поле, но электрическое. Из этого можно сделать вывод, что движущиеся монополи ионизируют вокруг себя среду, и степень ионизации тем больше, чем больше заряд у монополя.

Наконец, по аналогии, γ-квант должен образовывать монополь-антимонопольную пару, при аннигиляции которой должно высвобождаться просто колоссальное количество энергии.

Все эти выводы кажутся очень правдивыми, и сейчас ими можно было бы объяснить некоторые явления нашего мира, природу которых физики не могут найти и описать. Но прежде чем применять, нужно было доказать, что выводы правдивы и монополь существует. Дирак понимал, что время ещё не создало оборудования, которое помогло бы ему в этом. Поэтому он провёл расчёты и вывел характеристики, которые могли помочь понять природу монополя. Ну а в будущем он желал проверить их экспериментально.

Сначала он решил вывести величину магнитного заряда, связанного с единичной величиной электрического. Но то были толь предположения, а в настоящее время мы можем более точно определить гипотетическую величину, основываясь на относительно недавно открытых законах.

Из закона Лоренца мы можем определить, что радиус движения частицы в магнитном поле равен отношению массы электрона и его скорости движения к заряду электрона, умноженного на скалярную величину вектора магнитного поля. Однако этого не хватит. Нужно помнить, что электрический заряд квантуется: без этого расчёты могут быть не точны. А также учитывать орбитальный момент частицы, равный , где – длина волн де Бройля, равная отношению постоянной Планка к импульсу релятивистского электрона, то есть электрона с минимальной массой покоя. А из закона Гаусса 1(d), заменив в нем электрический заряд на магнитный, можно найти другую формулу нахождения радиуса: .

Приравняв формулы, получим соотношение

гдеn – произвольное целое число единиц, h – постоянная Планка, такое же, как у Дирака, хотя тот выстроил его только из предположения.

Отсюда

и так как (постоянная тонкой структуры), то

Получается, величина минимального магнитного заряда почти в 70 раз превышает величину единичного электрического. Это достаточно большой заряд для частицы. Если предположить, что она движется со скоростью примерно равной скорости света, то её ионизирующая способность должна быть в 4700 раз больше, чем у электрона. То есть при движении в среде монополь должен оставлять стабильный след, отчётливо видимый в обычном трековом детекторе, например в фотопластинке.

А также при такой большой массе монополь, пролетая в магнитном поле любой напряженности, должен быстро приобретать энергию.

Однако массу вычислить оказалось гораздо труднее, ведь из гипотез Дирака ясно, что монополь существует, но не ясно каких он размеров или, например, какой у него радиус. В 1931 году Дирак просто приравнивал радиус монополя радиусу электрона и протона. Согласимся, это даже звучит ненаучно и недостоверно.

Эти характеристики были нужны, чтобы увидеть, в ходе каких экспериментов можно обнаружить существование магнитного заряда. Но у меня нет оборудования, чтобы провести эксперименты, да и я знаю, что тогда, в 40-х прошлого столетия, так и не удалось найти хотя бы след существования монополя Дирака. Это нагоняет пессимистический настрой, а я хочу показать, что магнитному заряду есть место быть.

Для этого я зайду с другой стороны и сначала попытаюсь понять, а почему не получаются опыты по обнаружению магнитного заряда в природе. Еще раз посмотрим на уравнения Максвелла (1). Они базируются на фундаментальных законах электродинамики, в том числе на законе Кулона. Я все еще верю, что монополь существует, значит должен быть закон Кулона и для взаимодействия магнитных зарядов и из него можно найти их Кулоновскую силу. Для этого я возьму соотношение Кулоновской электрической силы к магнитной, приняв, что все частицы статичны.

– импеданс пространства физического вакуума. Это значит, что отношение Кулоновских сих может быть реально и равно

А зная все константы и приняв за расстояние между частицами 1м, можно легко найти и численное отношение сил: . То есть получились вполне реальное соотношение сил (если брать закон для взаимодействия магнитных зарядов такой же, как и для электрических, что без эксперимента мы узнать не сможем), хотя монополь – только гипотетическая частица. Это косвенно и натянуто может нам, нет, не доказать, что магнитный заряд существует, а показать, что в этой области физики ещё много несостыковок и её нужно продолжать изучать.

Но какие же эксперименты проводились после Дирака? И почему они тоже не дали никаких результатов?

В первой серии опытов по обнаружению монополя Дирака предполагалось использовать ускоритель частиц. Например, в линейный промежуток (прямолинейный участок ускорительного тракта частиц, проходящий вне магнитного поля ускорителя) ускорителя частиц высоких энергий поместить парамагнитную мишень. Теоретически, при столкновении ускоренных протонов с нуклонами мишени могут образовываться монополи, которые парамагнитная мишень должна захватить. Затем нужно лишь снять мишень "вытянуть" из неё монополи сильным магнитным полем и поместить их в фотоэмульсию, которая зафиксирует их следы.

В другой постановке опыта можно поставить мишень вне зоны магнитного ускорителя. Тогда в этом случае монополи, рождающиеся в мишени, должны вырываться из неё магнитным полем ускорителя и двигаться к полюсам магнита. Применив фокусирующую магнитную систему можно направить монополи в детектор, где и зарегистрировать их.

Из расчётов, исследователи узнали границы масс монополей: . Из них следует, что на ускорителях с максимальной энергией протонов 30 Гэв могут рождаться монополи с минимальной массой. Увы, только теоретически. Опыты, проведённые в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе) и в Брукхевене, дали отрицательные результаты.

В 70-х годах прошлого столетия советскими учёными во главе с И. И. Гуревичем также был поставлен опыт по поиску монополя Дирака. Он заключался в том, что после длительного излучения ферромагнитная фольга была помещена в сильное импульсное магнитное поле с напряжённостью 220 кэ, которое должно вырывать монополи из этой ловушки и направлять в расположенную рядом специальную ядерную эмульсию. Как уже было замечено ранее, следы монополей в такой эмульсии должны быть отчётливо видны.

К сожалению, и в этот опыт не дал ожидаемых результатов. Однако эти опыты дали место предположению, что можно повысить нижнюю границу их минимальной массы до . А также эти опыты дали идею проведения второй серии опытов.

Идея заключалась в использовании космических лучей, в составе которых есть настолько быстрые электроны, что их энергии окажется достаточно для рождения пар тяжёлых элементов. Для этих опытов подошли бы метеориты. Ведь они долго излучались космическим светом и должны были накопить в себе много монополей. Однако сделанные измерения не оправдали надежд. Но это можно связать с тем, что метеорит, на котором проводили измерения, был слишком "молод".

Тогда в 1970 году группа американских физиков во главе с Л. Альверецем подвергли исследованию материал, привезённый с Луны. А что? Она идеальный объект для исследования: существует около 3-4 млрд лет, на ней нет магнитного поля. Космические лучи свободно падают на её поверхность, так как у не нет атмосферы.

Учёные проведи длинный ряд опытов с лунной почвой, но и в них не были найдены не северные, не южные магнитные заряды.

Но всё это было в прошлом веке, в нашем же все уже несколько иначе.

Результаты последнего исследования американских учёных достоверно показали, что магнитный монополь может существовать не только как математическая абстракция. Для своих экспериментов они использовали квантовый газ, в котором, в отличие от обычного газа, частицы неотличимы друг от друга. (Типичный квантовый газ – это электроны в кристаллической решётке металла). Из-за этого свойства давление и температура такого газа описываются уравнениями квантовой статистики, а не обычной молекулярной физики. Это помогло вместить и подстроить пределы массы монополя в формулы. Обычно квантовый газ получают охлаждением атомов до температур, близких к абсолютному нулю. В таком состоянии атомы становятся практически неподвижными и их удобно изучать. (рис.2)

Итак, авторы исследования подвергли квантовый газ радио-и микроволновому облучению. Изменяя параметры этого излучения, учёные смогли менять внутреннюю магнитную характеристику атомов – спин. Физики последовательно изменяли спин почти неподвижных атомов во всех фазах, то есть заставили сделать полный оборот. Однако по окончанию эксперимента спин не вернулся в изначальное состояние, а немного отклонился от него. Это отклонение учёные объяснили именно влиянием магнитного монополя. Чтобы исключить другие возможные помехи, учёные повторили эксперимент, но в этот раз устранили действие гипотетического монополя. В этом случае спин атомов вернулся в изначальное состояние без каких-либо искажений.

Эту идею взяли на вооружение другие учёные.

В 2008 году учёные предположили, что магнитные монополи могут существовать в так называемом спиновом льду. Чтобы наблюдать неуловимые частицы, необходимо проследить за изменениями в спинах атомов, которые «прокатываются» по такому кристаллу.

Впоследствии несколько научных групп провели исследования различных материалов, относящихся к этому классу соединений, и пришли к выводу, что магнитный монополь наконец-то найден.

Одной из них руководил Джонатан Моррис, исследователь Центра материалов и энергии Гельмгольца в Берлине. Он и его коллеги могут похвастаться тем, что нашли наиболее убедительное доказательство существования магнитных монополей.

Для этого учёные охладили кристалл титаната диспрозия до температуры, близкой к абсолютному нулю. Это соединение обладает особой решёткой, которую также именуют спиновым льдом, она по некоторым параметрам напоминает обычный водяной лёд. Кроме титаната диспрозия ещё несколько других веществ могли бы продемонстрировать наличие магнитных монополей.

Тетраэдр, в котором три иона «указывают» внутрь (с голубым шаром внутри), представляет собой «северный монополь». Соседний тетраэдр лишь с одним ионом, указывающим внутрь, есть не что иное, как «южный монополь»

При охлаждении таких кристаллов составляющие их атомы (в обычном состоянии расположенные в вершинах четырёхгранной пирамиды и представляющие собой маленькие магниты) «выравниваются». Иногда до трёх из четырёх спинов атомов пирамиды принимают одно и то же направление, в результате в центре пирамиды образуется область положительного или отрицательного магнитного заряда. Этот заряд не «закрепляется» на каком-либо физическом объекте, но при этом он ведёт себя так, как должен бы предсказанный магнитный монополь.

При охлаждении до ультранизких температур (0,6 -2 K) с помощью рассеяния нейтронов и приложения магнитного поля физики смогли «увидеть» в этом кристалле некие «иглы», похожие на северные и южные монополи. Однако частицы находились на расстоянии не больше нанометра друг от друга, и из-за этого их нельзя было измерить напрямую. Учёным ничего не оставалось, кроме как поверить, что они наблюдали те самые монополи Дирака.

Дальнейшее измерение теплоёмкости, проведённое Бастианом Клемке, тоже косвенно подтвердило существование монополей в кристалле экзотического вещества. Кроме того, благодаря этому опыту физики установили, что монополи взаимодействуют таким же образом, как и электрические заряды, что только ещё раз подтверждало теорию Дирака.

Итак, несмотря на противоречивость теории Дирака, последние опыты доказали, что ей все же есть место быть. Сейчас многие учёные проводят свои экспериментальные расчёты, включая в них возможность существования отдельного магнитного заряда.

Так, например, профессоры Кристиан Пфлеидерер и Ачима Рош проводили исследования скирмионов (специфического спинового возбуждения, возникающего при взаимодействии барионов (барионы – семейство тяжелых, сильно взаимодействующих друг с другом элементарных частиц)) и обнаружили, что они могут возникать благодаря монополям. Это объяснит их непостоянную структуру. На поверхности различных материалов учёные наблюдали в микроскоп скирмионы и пришли к выводу, что они образовывают магнитное поле, что тоже может объясняться тем, что они вызываются единичными магнитными зарядами.

Эти магнитные вихри, "магнитные водовороты", образующиеся вокруг магнитных монополей, могут служить в качестве чрезвычайно компактных и чрезвычайно долговечных носителей информации. Область, хранящая один бит данных на современных жёстких дисках, состоит, по крайней мере, из тысячи атомов магнитного вещества, в отличие от этого каждый скирмион формируется магнитным монополем, состоящем всего из 15 атомов, что позволит получить чрезвычайно высокое значение показателя плотности записи и хранения информации.

А также при взаимосвязи монополей и скирмионов сохраняется колоссальный объем энергии, что может помочь нам в будущем разработать на этом альтернативный источник энергии.

3.Итак, при всех этих доводах, учёные до сих пор спорят о существовании монополя Дирака. Мне же после исследования данной темы кажется довольно ясным его существование. Эта тема очень перспективна, если научиться отделять магнитную диполь. Поэтому я, наверное, и дальше буду изучать эту тему.

4. Для выполнения данной работы я проштудировала старые книги по магнитному полю, ядерным реакциям. Нашла в интернете новые исследования по данной теме. А также систематизировала всю полученную информацию.

5. В ходе работы я пользовалась:

1. //news.rambler.ru/science/40220614-naydeny-dokazatelstva-suschestvovaniya-magnitnogo-monopolya

2.//www.membrana.ru/particle

3. Дэвонс С. "Поиски магнитного монополя" // Успехи физических наук.

1965г.

4. Купер Л. "Физика для всех"//т.2 Современная физика 1974г.

5. К.Н. Мухин "Занимательная ядерная физика" 1972г.

6. Т.И. Трофимова "Курс физики" 1994г.

6.

рис.1

рис.2

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/469582-uchebno-issledovatelskaja-rabota-zagadki-magn