Отсутствие в природе магнитных зарядов

Математическая запись отсутствия магнитных зарядов

На ранних стадиях изучения магнитных явлений предполагалось, что источниками магнитных полей являются магнитные заряды, которые взаимодействуют по закону Кулона. Однако такое предположение не согласуется с одним из основных уравнений магнитостатики:

Или в интегральном виде:

Электрические токи — источники магнитных полей

Сам Кулон еще отмечал на принципиальное различие между электрическими и магнитными явлениями. Оно, прежде всего в том, что ни как не можем разделить в теле серверный и южный полюса магнита, чтобы получить тело только с одним магнитным полюсом. И мы не можем получить тела с избытком того или иного магнетизма (северного или южного). Из этой ситуации Кулон сделал вывод о том, что два вида магнитных зарядов неразрывны. Дальнейшее изучение магнитных явлений показало, что гипотеза существования магнитных зарядов неверна в корне. Магнитных зарядов не существует. Каждый атом вещества надо рассматривать как круговой ток. Магнитное поле намагниченного тела складывается из магнитных полей кругового тока.

Доказательство того, что магнитный поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю

Формулы (1) и (2) показывают, что магнитных зарядов не существует. Докажем, что магнитный поток $\oint{\overrightarrow{B}d\overrightarrow{S}}$ через любую замкнутую поверхность S равен нулю (2).

Предположим, что магнитное поле создают точечные заряды (q), которые равномерно движутся. Тогда индукцию магнитного поля ($\overrightarrow{B_q}$) таких зарядов модно представить как:

где $\overrightarrow{v}$ — скорость движения заряженной частицы, $\overrightarrow{r}$ — радиус — вектор, который проводится из заряда, в рассматриваемую току поля, $\left [\overrightarrow{v}\overrightarrow{r}\right]\ $- векторное произведение соотвествующих векторов. Так как для магнитных полей движущихся зарядов выполняется принцип суперпозиции. Поток векторной суммы нескольких векторов через любую поверхность равен алгебраической сумме потоков отдельных векторов через ту же поверхность. Значит, мы при доказательстве можем ограничиться рассмотрением одной движущейся частицей. Пусть заряд движется с постоянной скоростью перпендикулярно плоскости рис.1.

Готовые работы на аналогичную тему

Магнитные силовые линии при этом — коаксиальные окружности. Их плоскости параллельны плоскости рис.1, а центры расположены на прямой, по которой движется заряд. Рассмотрим бесконечно тонкую кольцевую трубку, которую образуют магнитные силовые линии (АВСД). Из-за осевой симметрии магнитный поток через поперечное сечение этой трубки постоянный на всей ее длине. Трубка пересекает замкнутую поверхность S четное число раз. Магнитные потоки через площадки $dS_1и\ dS_2$, которые вырезаны трубкой на поверхности S, одинаковы по модулю, противоположны по знаку. В результате сумма таких потоков равна нулю. Все пространство можно разбить на подобные тонкие кольцевые магнитные трубки.

Рис. 1

Так, суммарный магнитный поток через замкнутую поверхность S равен нулю. Мы доказали, что:

Уравнение (2) и эквивалентное ему уравнение (1) в дифференциальном виде:

справедливы для любых магнитных полей.

Определение

Силовые поля, дивергенции которых везде равны нулю, называются соленоидальными полями.

Источником магнитного поля являются не магнитные заряды, а электрические токи.

Пример 1

Задание: Найдите модуль вектора магнитной индукции поля, которое создано двумя длинными прямолинейными проводниками с токами $I_1\ и\ $ $I_2$, которые текут в одном направлении. Расстояние между проводами равно d. Точка, в которой надо найти поле, находится на расстоянии r=d от каждого из проводников.

Решение:

На рис.2 проводники с токами перпендикулярны плоскости рисунка, причем текут от нас.

Силовые линии магнитного поля представляют собой окружности с центрами на проводнике с током.2\sqrt{\pi {\varepsilon }_0rm}}\ .$ Магнитные поля создаются движущимися зарядами.

Несимметричность природы / Хабр

Электрическими бывают заряды и поля, а магнитными — только поля. Могут ли во Вселенной быть магнитные заряды?

Можно не сделать ни одной ошибки и всё равно проиграть. Это не слабость — это жизнь.
— Жан-Люк Пикар

В науке, а особенно, в физике, в основе огромного количества физических процессов лежат фундаментальные симметрии. В гравитации сила, с которой любая масса действует на другую, равна по величине и противоположна по направлению силе, оказываемой другой массой на первую.

То же самое выполняется для электрических зарядов, хотя тут есть один подвох: электрическое взаимодействие может быть положительным или отрицательным, в соответствии со знаками зарядов. Кроме того, электричество близко связано с другим взаимодействием, магнетизмом.

Как у электричества есть положительные и отрицательные заряды, где подобное отталкивает подобное, а противоположности притягиваются, у магнетизма есть северный и южный полюса, у которых тоже одинаковые отталкиваются, а разные притягиваются. Но магнетизм демонстрирует фундаментальные отличия от электричества определённым и очевидным образом:

• У электричества может быть множество зарядов, собранных вместе, или же отдельные положительные или отрицательные заряды.
• У магнетизма может быть множество полюсов, собранных вместе, но нельзя изолировать северный полюс от южного.

В физике два противоположных заряда или полюса, связанных вместе, зовутся диполем, а один отдельный заряд называется монополем.

С гравитационным монополем всё просто: это масса. С электрическими — тоже просто: подойдёт любая фундаментальная частица с зарядом, типа электрона или кварка.

Но магнитные монополи? Насколько нам известно, их не существует. Вселенная, где они существуют, удивительно отличалась бы от нашей. Задумайтесь, как именно связаны между собой электричество и магнетизм.

Движущийся электрический заряд, или электрический ток, создаёт магнитное поле, перпендикулярное линии движения. Прямой провод с текущим по нему электрическим током выдаёт магнитное поле, идущее по кругу вокруг провода. Если свернуть проводник в петлю или катушку, магнитное поле появится внутри неё.

Оказывается, это работает в обе стороны. Законы физики стремятся к симметрии. Это значит, что если у меня будет петля или катушка провода, и я изменю магнитное поле внутри неё, я создам электрический ток, заставляющий электрические заряды двигаться. Это электромагнитная индукция, открытая Майклом Фарадеем более 150 лет назад.

Значит, у нас есть электрические заряды, электрический ток и электрическое поле — но нет магнитных зарядов или магнитных токов, только магнитные поля. Можно изменить магнитное поле и заставить двигаться электрические заряды, но нельзя заставить двигаться магнитные заряды, изменяя электрическое поле — поскольку никаких магнитных зарядов не существует.

Точно так же можно создать магнитное поле, двигая электрические заряды, но нельзя создать электрическое поле, двигая магнитные заряды — опять-таки, их не существует.

Иначе говоря, между электрическими и магнитными свойствами нашей Вселенной есть фундаментальная асимметрия. Поэтому уравнения Максвелла для полей E и В (электрического и магнитного) так сильно различаются.

Причина, по которой уравнения так сильно отличаются, состоит в том, что электрические заряды (ρ и Q) и токи (J и I) существуют, а их магнитные аналоги — нет. Если удалить электрические заряды и токи, они станут симметричными с точностью до фундаментальных констант.

Но что, если бы магнитные заряды и токи существовали? Физики думают об этом уже более ста лет, и если бы они существовали, мы могли бы записать, как выглядели бы уравнения Максвелла, если бы магнитные монополи были в природе. Вот, как они выглядели бы (в дифференциальной форме)?

Опять-таки, с точностью до фундаментальных констант, уравнения теперь выглядят очень симметрично! Мы бы могли заставить магнитные заряды двигаться простым изменением электрических полей, создавать электрические токи и индуцировать электрические поля. В 1930-х с ними игрался Дирак, но потом общепризнанным выводом стало то, что если бы они существовали, они бы оставили после себя какой-то след. Эта область не воспринималась серьёзно, поскольку физика по сути своей наука экспериментальная; без каких бы то ни было доказательств существования магнитных монополей их очень сложно оправдать.

Но всё начало меняться в 1970-х. Люди экспериментировали с Теориями великого объединения, или идеями по поводу того, что в природе может существовать гораздо больше симметрии, чем видно нам. Симметрия может быть нарушенной, из-за чего во Вселенной существует четыре различных фундаментальных взаимодействия, но, возможно, все они были объединены на какой-то высокой энергии в единое? В результате у всех этих теорий есть предсказание существования новых высокоэнергетических частиц, и во многих вариантах, магнитных монополей (в особенности, монополи ’т Хоофта-Полякова).

Магнитные монополи всегда были заманчивой темой для физиков, а новые теории подогрели этот интерес. Так что в 1970-х проходили поиски монополей, и самым знаменитым из них руководил физик Блас Кабрера [внук основоположника физических исследований в Испании Бласа Фелипе Кабреры / прим. перев.]. Он взял длинный провод, и скрутил его в восемь петель так, чтобы тот мог измерять идущий через него магнитный поток. Если бы через него прошёл монополь, то он породил бы сигнал силою ровно в восемь магнетонов. Ну а если бы через него прошёл стандартный магнитный диполь, он бы породил сигнал в +8 магнетонов, за которым сразу следовал сигнал в -8 магнетонов — таким образом эти сигналы можно было бы отличить.

Блас Кабрера со своим детектором магнитных монополей

И вот он построил это устройство и стал ждать. Устройство было неидеальным, иногда одна из петель отправляла сигнал, а в ещё более редких случаях сигнал отправляли две петли одновременно. Но для обнаружения магнитного монополя нужно было ровно восемь — но больше двух аппарат не показывал. Эксперимент безуспешно продолжался несколько месяцев, и в результате к нему стали возвращаться всего по нескольку раз в день. 14 февраля 1982 года Блас не приходил в свой офис, поскольку отмечал День святого Валентина. Когда он вернулся на работу 15 февраля, он с удивлением обнаружил, что компьютер и устройство 14 февраля записали сигнал ровно в восемь магнетонов.

Это открытие всколыхнуло общественность и породило огромную волну интереса. Были построены более крупные устройства с большей площадью поверхности и большим количеством петель, но, несмотря на тщательные поиски, никто более не находил монополя. Стивен Вайнберг даже написал Бласу Кабрере стихотворение 14 февраля 1983 года:

Roses are red,
Violets are blue,
It’s time for monopole
Number TWO!

Розы красны,
Фиалки сини,
Представить второй монополь
Мы бы тебя попросили!

[Отсылка к популярному стихотворению, используемому в англоязычных странах в связи с празднованием Дня всех влюблённых // прим. перев.]

Но второй монополь так и не появился. Был ли это сверхредкий глюк эксперимента Кабреры? Был ли это единственный монополь в нашей части Вселенной, совершенно случайно прошедший через детектор? Поскольку других мы так и не обнаружили, точно узнать нельзя, но наука должна быть воспроизводимой. А этот эксперимент воспроизвести не удалось.

Сегодня монополи всё ещё ищут в экспериментах, но ожидания весьма низки.

Природа была бы прекрасна в своей симметрии, но, как бы нам этого не хотелось, она несимметрична, не на всех уровнях. И в этом никто не виноват; просто Вселенная такая, какая есть. Лучше принять её такой — вне зависимости от того, насколько эстетически приятнее она была бы в ином случае — чем дать нашим предубеждениям увести нас с истинного пути.

В природе существуют магнитные заряды

Магнитный заряд

Магнитные заряды в природе не обнаружены. [1]

Магнитный заряд — фиктивная величина, введенная для удобства магнитостатических расчетов. [2]

Магнитные заряды создают магнитные поля рассеяния как макро -, так и микроскопического размера. Источником таких полей могут быть и магнитные заряды, возникающие на границах зерен. Появление их может вызываться различными факторами: или вследствие искажения строения металла по границам зерен из-за разной кристаллографической ориентации соседних зерен, или благодаря гетерогенной структуре граничного слоя, возникающей вследствие преимущественной диффузии легирующих элементов. [3]

Магнитный заряд , который, как известно, нельзя получить изолированно от заряда противоположного знака, можно представить себе сосредоточенным на одном полюсе весьма тонкого прямолинейного магнита, длина которого столь велика, что действием второго полюса можно пренебречь. [4]

Магнитный заряд — формальное представление, аналогичное представлению об электрическом заряде. [5]

Магнитные заряды в природе отсутствуют; все магнитные поля создаются электрическими токами. [7]

Подвижный единичный магнитный заряд , помещенный в магнитное поле, под действием сил поля движется вдоль некоторой кривой, называемой магнитной силовой линией. [8]

Никаких магнитных зарядов не существует. [9]

Раз магнитных зарядов не бывает, дивергенция В всегда равна нулю. [10]

Никаких магнитных зарядов не существует. [11]

Истинных отдельных магнитных зарядов не существует; нет и проводников магнетизма. [12]

Название магнитные заряды в этом случае чисто условное и основывается только на аналогии рассматриваемой здесь модели с теорией монополя Дирака. [13]

Такие магнитные заряды , или, как их назвал Дирак, монополи, должны были быть полным магнитным эквивалентом зарядов электрических. [14]

Поскольку магнитных зарядов нет, поток В через любую замкнутую поверхность всегда равен нулю. Второе уравнение VXE — dB / dt — это закон Фарадея, и обсуждался он в последних двух главах. Он тоже верен в общем случае. Но последнее уравнение содержит нечто новое. Раньше мы встречались только с частью его, которая годится для постоянных токов. В этом случае мы говорили, что ротор В равен j / e0c2, но правильное общее уравнение имеет новый член, который был открыт Максвеллом. [15]

На протяжении XVIII и XIX веков накопилось много вопросов по электрическим и магнитным явлениям. На эти вопросы невозможно было ответить с позиции механической картины мира. В 1865 году английский физик Максвелл разработал теорию электромагнитного поля. После этого стало возможным создать новую картину мира под названием электромагнитной картины мира.

В основе теории Максвелла лежит закон электромагнитной индукции Фарадея. Максвелл показал, что изменяющееся магнитное поле создает вихревое электрическое поле и наоборот.

Согласно электромагнитной теории, мир представляется в виде электромагнитных волн. Электромагнитные волны создают переменные электрические токи. Посредством этого поля заряженные частицы взаимодействуют между собой. Электрические поля создают не движущие заряды, а магнитные поля – движущие заряды.

Законы взаимодействия электрических и магнитных полей описываются четырьмя уравнениями Максвелла. Эти уравнения показывают, что магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца. В природе не существует магнитных зарядов. Электрическое поле создается не только покоящимися зарядами, а также переменным магнитным полем. Магнитное поле создается не только движущимися зарядами, а также как электрическим током, так и переменным электрическим полем. Система уравнений Максвелла показывает пространственные и временные изменения магнитных и электрических полей. Ускоренно движущие электрические заряды создают электромагнитные волны.

Установлено, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Таким образом, была построена электромагнитная картина мира, согласно которой материя – это поле (электрическое, магнитное и электромагнитное). На основе созданной картины мира корпускулярный тип описания природы заменили континуальным (полевым) типом описания природы.

Электромагнитная картина мира существенно изменила представления о мире. Эта картина основывалась на идеях непрерывности материи, материальности электрического, магнитного и электромагнитного полей, неразрывности материи и движения, материи и пространства, материи и времени. Согласно новой картине мира, пространство и время — абсолютные субстанции, а пустое пространство заполнено электромагнитным полем.

В начале ХХ века выяснилась ограниченность электромагнитной картины мира, т.к. континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, которые подтверждают дискретность заряда, излучения и воздействия, не удавалось объяснить устойчивость атомов и спектры их излучения. Все эти факты показали необходимость замены электромагнитной картины мира. На смену ей пришла квантово – полевая картина мира.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9025 — | 7255 — или читать все.

Но внимательно рассматривая уравнения Максвелла нельзя не заметить явную асимметрию уравнений, описывающих электрические и магнитные явления. Электричество и магнетизм неравнозначно входят в уравнения. Второе уравнение на картинке обозначает то, что в природе не существует магнитных зарядов. Электрические поля создаются либо электрическими зарядами, либо изменяющимися магнитными полями, в то время как магнитные поля создаются только электрическим током и изменяющимися электрическими полями. Казалось бы – раздели магнит на половинки, и будет одиночный магнит. Однако, глубокий анализ говорит о том, что магнитное поле продуцируется циркулирующими внутри атома замкнутыми токами, и разрезая магнит мы получим два магнита с обоими полюсами. А есть ли элементарный магнитный заряд, элементарная частица, несущая единичный магнитный заряд? Максвелл задумывался об этой проблеме, но в то время физики знали больше об электрических явлениях, чем о магнитных, и, видимо, такое положение дел его устраивало. Намного острее эту проблему прочувствовал Кюри, который исследовал симметрии в физике. В 1894 году он опубликовал работу о роли симметрии в физике.

Ещё дальше пошёл английский физик-теоретик П.А.М. Дирак, благодаря теоретическим исследованиям которого на кончике пера был открыт, и затем обнаружен позитрон. Связав существование магнитных монополей с фазами квантовых волн, Дирак обнаружил весьма любопытную связь между электрическим и магнитным зарядами. Предположив, что магнитные монополи существуют, он связал волновую функцию с гипотетическими магнитными частицами, он открыл, что магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая в свою очередь определяется фундаментальной величиной электрического заряда.16 масс протона. То есть, надеяться создать его искусственно на коллайдерах не могло быть и речи. Кроме того, он должен обладать сложной, слоённой структурой луковичного типа, состоящей из силовых зон.

Проводились поиски магнитных монополей, захваченных в магнитных рудах земного и внеземного (метеориты, Луна) происхождения. Треки от ММ существенно должны отличатся от треков ядер – последние представляют затухающий след, в то время, как монополи должны продемонстрировать трек равной ширины без затухания. Кроме того, ионизирующая сила ММ должна соответствовать тяжёлым ядрам.

Рон Росс и Луис Альварес исследуют образцы пород.
1975 Американская камера фиксирует трек монополя в космических лучах. Заявление будет отозвано несколькими годами позже.
14 февраля 1981 г. Блаз Кабрера из Станфордского университета зарегистрировал такой скачок магнитного потока. Наблюдение Кабреры вызвало в некотором роде сенсацию и приветствовалось экспериментаторами как первое убедительное свидетельство обнаружения магнитного монополя из космического пространства.

Однако дальнейшие попытки повторить результаты опыта не удалось. Больше монополь не регистрировался, что поставило под сомнение результат 1981 года.

Схема эксперимента по обнаружению магнитного монополя. Сверхпроводящая рамка соединена с регистратором тока. В ней циркулирует ток, который вследствии сверхпроводимости рамки не затухает по времени. Пролетевший тахион вследствие скачока магнитного потока усиливает ток в катушке, который из за квантвых свойств возрастает строго на дискретную величину.

Недавние эксперименты на Тэватроне показали, что монополи с массами менее 600 и 900 ГэВ не существуют. Новые эксперименты на андронном коллайдере тоже не обнаружили ММ. В 2015 году детектор Большого адронного коллайдера MoEDAL произвёл поиск магнитных монополей при энергии столкновений 13 ТэВ. Никаких следов магнитных монополей с массой вплоть до 6 ТэВ и магнитным зарядом вплоть до 5 дираковских единиц обнаружено не было, вопрос их существования остался открытым.

Для чего так важно разобраться с монополем Дирака? Его обнаружение подтвердило бы соответствующие космологические модели возникновения горячей Вселенной с образованием монополей.16 раз большая, чем при распаде ядра урана. Источник экологически чистой энергии. Кстати, некоторые физики считают, что монополи могут накапливаться в недрах Земли. И при обращении геомагнитного поля встречные потоки разных монополей могут аннигилировать, что может, вялятся дополнительным источником тепла.

Впрочем, что не раз уже было в истории, человечество обычно создаёт оружие чрезвычайно разрушительной силы из своих передовых открытий.

Тест по физике «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Вариант 1

1. Источником магнитного поля являются (является)…

1. движущиеся электрические заряды,

2. заряженный теннисный шарик,

3. полосовой магнит.

2. Закончить фразу: «Если электрический заряд движется, то вокруг него существует…

1. магнитное поле,

2. электрическое поле,

3. электрическое и магнитное поле.

3. Какие силы проявляются во взаимодействии двух проводников с током?

1. силы магнитного поля,

2. силы электрического поля,

3. силы гравитационного поля.

4. Какие утверждения являются верными?

А) В природе существуют электрические заряды.

Б) В природе существуют магнитные заряды.

В) В природе не существует электрических зарядов.

Г) В природе не существует магнитных зарядов.

1) А и Б, 2) А и В, 3) А и Г, 4) Б, В и Г.

5. Какой из вариантов соответствует схеме расположения магнитных линий вокруг прямолинейного проводника с током, расположенного вертикально

1) 2) 3) 4) 5)

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Вариант 2

1. Обнаружить магнитное поле можно по…

А) по действию на любой проводник,

Б) действию на проводник, по которому течет электрический ток,

В) заряженный теннисный шарик, подвешенный на тонкой нерастяжимой нити,

Г) на движущиеся электрические заряды.

1) А и Б, 2) А и В, 3) Б и В, 4) Б и Г.

2. Закончить фразу: «Если электрический заряд неподвижен, то вокруг него существует…

1. магнитное поле,

2. электрическое поле,

3. электрическое и магнитное поле.

3. Два параллельных проводника, по которым текут токи противоположных направлений…

1. взаимно притягиваются,

2. взаимно отталкиваются,

3. никак не взаимодействуют.

4. Магнитная стрелка отклонится, если её разместить вблизи…

А) вблизи потока электронов,

Б) вблизи потока атомов водорода,

В) вблизи потока отрицательных ионов,

Г) вблизи потока положительных ионов,

Д) вблизи потока ядер атома кислорода.

1) все ответы верны, 2) А, Б, В, и Г, 3) Б, В, Г, 4) А, В, Г, Д

5. Какой из вариантов соответствует схеме расположения магнитных линий вокруг соленоида?

1) 2) 3) 4) 5)

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

1

2

3

4

5

Вариант 1

1, 3

3

1

3

5

Вариант 2

4

2

2

4

3

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Фамилия _____________________________________ Вариант _____

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Фамилия _____________________________________ Вариант _____

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Фамилия _____________________________________ Вариант _____

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Фамилия _____________________________________ Вариант _____

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Фамилия _____________________________________ Вариант _____

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Фамилия _____________________________________ Вариант _____

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Фамилия _____________________________________ Вариант _____

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

Тест «Магнитное поле. Вектор магнитной индукции»

Фамилия _____________________________________ Вариант _____

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

Тестовые вопросы: 11 класс СУНЦ НГУ

Тестовые вопросы: 11 класс СУНЦ НГУ

Тестовые вопросы: 11 класс

СУНЦ НГУ

Г. В. Федотович

Правильные ответы приведены в конце теста

1. Электростатическое поле

1. Сколько видов зарядов существует в природе?
   1. Два вида зарядов.
   2. Только один вид заряда.
   3. Три вида зарядов.
2. Чему равен элементарный заряд, измеренный в Кл?
   1. Кл.
   2. Кл.
   3. Кл.
3. Имеют ли элементарные частицы дробные заряды?
   1. Да.
   2. Нет.
4. Как сила Кулоновского взаимодействия между зарядами зависит от их взаимного расстояния?
   1. Сила не зависит от расстояния.
   2. Сила возрастает с увеличением расстояния.
   3. Сила убывает с расстоянием по закону обратных квадратов.
5. Могут ли силовые линии электрического поля пересекаться в пространстве?
   1. Могут.
   2. Могут только касаться.
   3. Не могут.
6. Сохраняется ли в природе электрический заряд?
   1. Да.
   2. Нет.
   3. Иногда сохраняется.
7. Справедлив ли принцип суперпозиции для электрических полей?
   1. Да.
   2. Нет.
   3. Принцип суперпозиции для электрических полей выполняется при определенных условиях.
8. Чему равна работа сил по перемещению единичного заряда по замкнутому контуру в электростатическом поле?
   1. Работа зависит от величины электростатического поля.
   2. Работа равна нулю.
   3. Работа зависит от величины заряда.
9. Имеется металлическая сфера радиуса r и с зарядом q. Чему равно электрическое поле внутри сферы?
   1. Поле равно .
   2. Поле внутри сферы везде равно нулю.
   3. Поле равно нулю только в центре сферы.
10. Чему равно электрическое поле снаружи сферы на расстоянии r?
    1. Поле равно .
    2. Поле равно нулю.
    3. Поле снаружи сферы постоянно.
11. Как движется проводник в неоднородном электрическом поле:
    1. Всегда выталкивается.
    2. Находится в покое.
    3. Всегда втягивается.
12. Электрическое поле у поверхности земли около 100 В/м. Оцените заряд Земли.
    1. Заряд всей земли равен нулю.
    2. Заряд земли равен Кл.
    3. Заряд земли равен Кл.
13. Чему равен потенциал земли?
    1. Потенциал земли равен нулю.
    2. Потенциал земли равен 100 В.
    3. Потенциал земли равен В.
14. Пластины плоского конденсатора подключены к источнику постоянного напряжения. Электрическое поле между пластинами зависит от их расстояния?
    1. Да.
    2. Нет.
15. На пластинах плоского конденсатора имеются заряды . Электрическое поле между пластинами зависит от их расстояния?
    1. Да.
    2. Нет.
16. Можно ли отдельный проводник рассматривать как конденсатор?
    1. Да.
    2. Нет.
17. На пластинах плоского конденсатора имеются заряды . Как меняется сила притяжения между пластинами плоского конденсатора с увеличением зазора?
    1. Уменьшается.
    2. Остается постоянной.
    3. Возрастает.
18. Два конденсатора соединили последовательно. Как при этом изменилась суммарная емкость:
    1. Не изменилась.
    2. Увеличилась.
    3. Уменьшилась.
19. Чему равна емкость земли?
    1. Емкость земли равна 6.4 Ф.
    2. Емкость земли равна 0.64 Ф.
    3. Емкость земли равна 0.064 Ф.
20. Разность напряжений между пластинами плоского конденсатора равна:
    1. .
    2. .
    3. .
21. Энергия конденсатора равна:
    1. Q/2C.
    2. .
    3. .
22. Два конденсатора соединили параллельно. Как при этом изменилась суммарная емкость:
    1. Осталась неизменной
    2. Увеличилась.
    3. Уменьшилась.

2. Постоянный электрический ток

1. Электрический ток — это:
   1. направленное движение атомов,
   2. хаотичное движение протонов,
   3. направленное движение зарядов.
2. Электрический ток может быть только в проводниках?
   1. Да.
   2. Нет.
3. Сила тока измеряется в:
   1. Вольтах,
   2. Амперах,
   3. Кулонах.
4. Где правильно записан закон Ома для участка цепи?
   1. .
   2. .
   3. .
5. Два одинаковых сопротивления включены параллельно. При этом общее сопротивление:
   1. Возросло в 2 раза.
   2. Уменьшилось в два раза.
   3. Не изменилось.
6. Батарейка на напряжение 4.5 В может выдавать максимальный ток 0.15 А. Чему равно внутреннее сопротивление батарейки?
   1. 30 Ом.
   2. 300 Ом.
   3. 45 Ом.
7. Какая максимальная мощность может выделяться на внутреннем сопротивлении?
   1. 0.675 Вт.
   2. 0.45 Вт.
   3. 0.15 Вт.
8. Почему в квартирах электропроводку иногда делают на основе медных проводов?
   1. В медных проводах выделяется меньше тепла.
   2. Медные провода более дешевые.
   3. Увеличивается срок службы проводки.
9. Контактная разность потенциалов возникает, когда
   1. соединяются металл и диэлектрик,
   2. соединяются диэлектрик и полупроводник,
   3. соединяются два разных металла.
10. В слабый раствор серной кислоты вставили две пластинки — медную и цинковую. Возникшая разность потенциалов равна:
    1. 5 В.
    2. 1.1 В.
    3. 0.2 В.
11. В слабый раствор серной кислоты вставили две пластинки — медную и цинковую. Ток такого химического элемента быстро падает с течением времени потому, что
    1. быстро меняется химический состав раствора,
    2. из раствора уходят свободные носители зарядов (ионы),
    3. увеличивается сопротивление между электродами (собираются пузырьки водорода на поверхности цинкового электрода).
12. Работа по перемещению единичного заряда по замкнутому контуру, содержащей источник ЭДС, числено равна:
    1. нулю,
    2. зависит от формы контура,
    3. ЭДС источника.
13. Два одинаковых сопротивления соединили последовательно. Как изменилось общее сопротивление?
    1. Уменьшилось в два раза.
    2. Увеличилось в два раза.
    3. Не изменилось.
14. Кусок проволоки растянули в два раза. Как изменилось сопротивление проволоки?
    1. Увеличилось в четыре раза.
    2. Уменьшилось в два раза.
    3. Не изменилось.
15. Утюг имеет мощность 1760 Вт. Какой ток протекает через утюг?
    1. 8 А.
    2. 4 А.
    3. 0.8 А.
16. Какая энергия потребляется утюгом за одну минуту?
    1. 105.6 кДж.
    2. 2 кДж.
    3. 0.29 кДж.
17. Чему равно сопротивление утюга в нагретом состоянии?
    1. 27.5 Ом.
    2. 2.75 Ом.
    3. 275 Ом.
18. Почему лампочки чаще перегорают в момент включения?
    1. На лампочке выскакивает большое напряжение.
    2. В начальный момент через лампочку течет большой ток (холодное сопротивление спирали).
    3. Лампочка стареет и поэтому перегорает.
19. В квартире включены какие-то электроприборы. Как определить какая потребляется мощность.
    1. Прочитать на всех электроприборах потребляемые мощности и их сложить.
    2. Взять квитанцию и посмотреть сумму денег начисленных за месяц по электроэнергии.
    3. Посмотреть на показания электросчетчика.
20. В батарее с напряжением 12 В при прохождении некоторого заряда выделяется тепло 60 Дж за 5 с. Какой заряд прошел через батарею?
    1. Кл.
    2. Кл.
    3. Кл.
21. Чему равна средняя величина тока через батарею?
    1. A.
    2. A.
    3. A.
22. Какая при этом выделяется мощность?
    1. Вт.
    2. Вт.
    3. Вт.

3. Магнитное поле

1. Магнитное поле появляется вокруг:
   1. движущегося заряда,
   2. магнитных зарядов,
   3. проводника с током.
2. Какой магнитный полюс находится на севере Земли?
   1. Южный.
   2. Северный.
   3. Магнитного полюса нет.
3. Почему северное сияние наблюдается только на Северном Полюсе?
   1. Солнечные лучи касаются этих слоев атмосферы.
   2. Происходит повышенная ионизация воздуха электронами, которые, благодаря магнитному полю, собираются в этих местах со всей поверхности Земли.
   3. Необъяснимое явление.
4. Имеют ли силовые линии магнитного поля разрывы?
   1. Нет.
   2. Да.
5. Могут ли пересекаться силовые линии магнитного поля?
   1. Нет.
   2. Да.
6. Как можно определить направление магнитного поля?
   1. С помощью железных опилок.
   2. С помощью компаса.
   3. Никак.
7. Поток однородного магнитного поля через плоский контур площади S равен:
   1. .
   2. .
   3. .
8. От каких параметров зависит сила Лоренца?
   1. Заряда и потенциала.
   2. Магнитного поля, заряда и скорости движения.
   3. Скорости движения и направления электрического поля.
9. Правило левой руки для силы Ампера показывает:
   1. Направление действия силы.
   2. Направление магнитного поля.
   3. Направление тока.
10. Параллельные токи:
    1. отталкиваются,
    2. притягиваются.
11. Работа в магнитном поле при перемещении заряда из точки А в точку Б
    1. равна нулю,
    2. зависит от пути и направления магнитного поля.
    3. зависит от скорости, с которой перемещали заряд.

4. Механические колебания

1. Какие колебания называются гармоническими? Приведите примеры гармонических колебаний.
   1. Колебания называются гармоническими, если координата тела зависит от времени по гармоническому закону.
   2. Колебания называются гармоническими, если координата тела зависит от времени по периодическому закону.
   3. Колебания называются гармоническими, если координата тела не зависит от времени.
2. Приведите примеры не гармонических механических колебаний.
   1. Смена дня и ночи.
   2. Смена времен года.
   3. Поднятие центра масс человека при ходьбе.
3. Упругий мячик скачет по полу. Можно ли считать его движение гармоническим?
   1. Нет.
   2. Да.
4. Какие колебания называются свободными? Приведите примеры свободных механических колебаний, которые вы наблюдали сами.
   1. Колебания струны гитары.
   2. Численная популяция волков и зайцев в лесу.
   3. Вращение Земли.
5. Как изменится период колебаний тела на пружине, если массу тела удвоить?
   1. Не изменится.
   2. Увеличится в два раза.
   3. Увеличится в раз.
6. Как изменится период колебаний математического маятника, если его массу удвоить?
   1. Увеличится в два раза.
   2. Уменьшится в два раза.
   3. Не изменится.
7. Почему корпуса маятниковых часов часто изготавливают узкими и высокими?
   1. Для красоты.
   2. Чтобы было достаточно места для нити маятника.
   3. Чтобы лучше было видно, что идут часы.
8. В какой момент времени колебаний шарика на пружинке максимальна потенциальная энергия?
   1. При прохождении положения равновесия.
   2. В момент максимального отклонения.
   3. Потенциальная энергия остается постоянной по времени.
9. При одинаковой амплитуде колебаний большей частоте колебаний соответствует:
   1. Больший запас энергии колебаний.
   2. Меньший запас энергии колебаний.
   3. Запас энергии колебаний не зависит от частоты.
10. Как зависит энергия колебаний математического маятника от его максимального угла отклонения?
    1. Не зависит.
    2. Уменьшается.
    3. Увеличивается.
11. Каким образом нужно возбудить колебания математического маятника, чтобы начальная фаза колебаний равнялась ?
    1. Надо толкнуть маятник из положения равновесия.
    2. Надо отклонить маятник из положения равновесия и отпустить.
12. При каких условиях возникает резонанс в механических системах?
    1. Резонанс в механических системах возникает, когда действует внешняя постоянная сила.
    2. Резонанс в механических системах возникает, когда действует внешняя сила с частотой равной частоте собственных колебаний.
    3. Резонанс в механических системах возникает, когда не действует внешняя сила.
13. Почему продавец в магазине иногда после взвешивания товара на весах нажимает на чашку весов и повторяет взвешивание снова?
    1. Продавец повторяет взвешивание, чтобы определить погрешность взвешивания.
    2. Продавец повторяет взвешивание, чтобы определить новый вес.
    3. Продавец повторяет взвешивание, чтобы сбить с толку покупателя.

5. Электромагнитные колебания

1. Что больше по величине действующее напряжение или амплитудное?
   1. Оба напряжения равны.
   2. Действующее напряжение больше амплитудного.
   3. Амплитудное напряжение больше действующего.
2. Чему равно действующее и амплитудное значение напряжения в вашем доме?
   1. 220 В и 380 В.
   2. 220 В и 311 В.
   3. 380 В и 311 В.
3. Как изменится яркость лампочки, если частота электрического тока возрастет в 2 раза?
   1. Яркость лампочки не изменится.
   2. Яркость лампочки возрастет в два раза.
   3. Яркость лампочки возрастет в четыре раза.
4. Как изменится потребляемая мощность лампочки, если действующее значение напряжения в сети увеличится в 2 раза?
   1. Мощность лампочки не изменится.
   2. Мощность лампочки возрастет в два раза.
   3. Мощность лампочки возрастет в четыре раза.
5. Чему равна частота колебаний мощности в цепи переменного тока в бытовой сети?
   1. 50 Гц.
   2. 100 Гц.
   3. 25 Гц.
6. Как изменится действующее значения напряжения генератора переменного тока при увеличении угловой скорости вращения в 1,5 раза?
   1. Не изменится.
   2. Увеличится в 1.5 раза.
   3. Уменьшится в 1.5 раза.
7. При остановке ротора электромотора, подключенного к сети, ток потребления:
   1. возрастает,
   2. остается неизменным,
   3. подает до нуля.
8. Напряжение, измеренное между двумя фазами стандартной сети трехфазного напряжения, равно:
   1. 220 В.
   2. 311 В.
   3. 380 В.
9. Как преобразуется ток в повышающем трансформаторе?
   1. Остается неизменным.
   2. Уменьшается.
   3. Увеличивается.
10. Почему при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора она начинает перегреваться?
    1. На этом участке обмотки возрастает напряжение.
    2. На этом участке обмотки возрастает ток.
    3. На этом участке обмотки возрастает выделяемая мощность.
11. Почему для передачи электроэнергии на большие расстояния используются высоковольтные линии электропередач?
    1. Чтобы передать большую мощность.
    2. В целях безопасности.
    3. Чтобы сэкономить на материале для проводов.
12. Ток и напряжение на конденсаторе в цепи переменного тока сдвинуты по фазе на:
    1. .
    2. .
    3. .
13. Конденсатор емкости мкФ много раз подсоединяется к электрической сети на некоторое время и отключается от нее. Каким может стать при этом максимальный заряд конденсатора?
    1. 0.311 мК.
    2. 0.22 мК.
    3. 0.38 нК.
14. Как зависит напряжение на индуктивности от частоты тока?
    1. Не зависит.
    2. Bозрастает линейно.
    3. Имеет обратную зависимость от частоты.
15. Как сдвинуты по фазе ток и напряжение на индуктивности?
    1. .
    2. .
    3. .
16. Почему иногда сильно нагревается часть вторичной обмотки работающего трансформатора?
    1. Плохо сделан трансформатор.
    2. Неправильно включен в сеть.
    3. Часть витков вторичной обмотки замкнуто.
17. Параллельно пластинам заряженного конденсатора подключили индуктивность. В контуре возникли колебания. В какой момент времени максимален ток в контуре?
    1. В момент полной разрядки конденсатора.
    2. В начальный момент времени.
    3. Ток в контуре всегда равен нулю.
18. Как меняется ток в колебательном контуре от времени, при наличии некоторого сопротивления в цепи?
    1. Остается неизменным.
    2. Уменьшается.
    3. После каждого периода колебаний меняется скачком.
19. Если добротность колебательного контура увеличить в два раза, то тогда энергия колебаний:
    1. возрастет,
    2. останется неизменной,
    3. будет медленнее затухать.
20. Если индуктивность увеличили в раз, то во сколько раз нужно изменить емкость, чтобы резонансная частота осталась неизменной?
    1. Тоже увеличить в раз.
    2. Уменьшить в раз.
    3. Изменять не надо.
21. Амплитудное значение тока, протекающего через электрическую лампочку мощности 110 Вт, включенную в сеть 220 В, равно:
    1. 2 А.
    2. 0.5 А.
    3. 0.7 А.
22. Мощность, выделяющаяся в электрической цепи, составляет 5,5 кВт, амплитуда тока в цепи 70 А, действующее напряжение 220 В. Сдвиг фаз между током и напряжением равен:
    1. .
    2. .
    3. .
23. Две одинаковые электроплитки мощности 1 кВт включаются в электрическую сеть а) параллельно; б) последовательно. Суммарная мощность плиток будет больше:
    1. в первом случае,
    2. во втором случае,
24. Понижающий трансформатор преобразует напряжение с амплитудным значением 11 кВ в напряжение сети 220 В. Коэффициент трансформации равен:
    1. 50,
    2. 25,
    3. 35.
25. Резонанс наблюдается в колебательном контуре при частоте  Гц. Емкость конденсатора в контуре  мкФ. Какую емкость нужно подсоединить параллельно данной, чтобы частота резонанса уменьшилась до 100 Гц?
    1.  мкФ.
    2.  мкФ.
    3.  мкФ.

6. Механические волны

1. Длина волны зависит от частоты как:
   1. Не зависит.
   2. Зависит прямо пропорционально.
   3. Зависит обратно пропорционально.
2. Длины двух волн в воздухе отличаются в 2 раз (). Как будут отличаться их частоты?
3. Звук передается быстрее в твердых кристаллических телах, чем в газах?
   1. Да.
   2. Нет.
   3. Одинаково.
4. Зависит ли скорость звука от громкости звука?
   1. Да.
   2. Нет.
5. Каким образом лучше всего можно определить направление на источника звука?
   1. Повертеть головой.
   2. Лучше прислушаться.
   3. Закрыть одно ухо.
6. Частоты шумовых сигналов имеют спектр?
   1. Дискретный.
   2. Равномерный.
   3. Хаотичный.
7. Частоты двух соседних октав относятся как?
   1. 2:1.
   2. 1:1.
   3. 3:1.
8. Сферические волны распространяются быстрее чем цилиндрические?
   1. Да.
   2. Скорость распространения одинакова.
9. Как зависит интенсивность волны от ее амплитуды?
   1. Не зависит от амплитуды.
   2. Интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды.
   3. Интенсивность волны обратно пропорциональна квадрату амплитуды.
10. Как зависит интенсивность волны от ее частоты?
    1. Не зависит от частоты.
    2. Интенсивность волны обратно пропорциональна квадрату частоты.
    3. Интенсивность волны пропорциональна квадрату частоты.
11. Как меняется длина волны при переходе из воздуха в воду?
    1. Не меняется.
    2. Длина волны при переходе из воздуха в воду удлиняется.
    3. Длина волны при переходе из воздуха в воду уменьшается.
12. В горах мы часто слышим эхо потому, что:
    1. Происходит отражение звуковых волн от гор.
    2. Происходит поглощение звуковых волн кроме одной, эхо которой мы слышим.
13. Как изменяется высота основного тона струны в зависимости от величины ее натяжения?
    1. Не меняется.
    2. Высота основного тона струны возрастает с увеличением ее натяжения.
    3. Высота основного тона струны уменьшается с увеличением ее натяжения.
14. Голос крупных животных имеет тон:
    1. низкий,
    2. высокий,
    3. обычный.
15. Что показывает величина дифракционного угла при прохождении волны через узкую щель?
    1. Величина дифракционного угла показывает величину угла преломления волны.
    2. Величина дифракционного угла показывает величину углового уширения волны.
    3. Величина дифракционного угла показывает величину углового сжатия волны.
16. Почему даже громкий голос может быть не слышен с другой стороны жилого дома?
    1. Звук поглотился стенкой дома.
    2. Звук отразился от стенки дома.
    3. За счет дифракции волн за домом появляется звуковая тень.
17. Интенсивность звука уменьшилась на 2 дБ. Во сколько раз изменилась амплитуда колебаний воздуха?
    1. Амплитуда колебаний воздуха не изменилась.
    2. Амплитуда колебаний воздуха уменьшилась в 2 раза.
    3. Амплитуда колебаний воздуха уменьшилась в 1.3 раза.
18. Звук распространяется во все стороны от источника в виде сферической волны. На сколько дБ он ослабляется, когда радиус фронта волны увеличивается в 2 раза?
    1. На 6 дБ.
    2. На 2 дБ.
    3. На 4 дБ.
19. Какой частоте звуковых колебаний в воздухе, соответствует длина волны 10 м?
    1. 50 Гц.
    2. 340 Гц.
    3. 34 Гц.
20. Частота ноты ля 3-й октавы равна:
    1. 1760 Гц.
    2. 1046.4 Гц.
    3. 2092.8 Гц.
21. Расстояние между стенами пустой комнаты 5 м. Звук каких частот будет резонансно усиливаться в этой комнате?
    1. 165 Гц.
    2. 46 Гц.
    3. 68 Гц.
22. Во сколько раз может увеличиться интенсивность волны при интерференции 3-х когерентных волн?
    1. В 9 раз.
    2. В 3 раза.
    3. В 27 раз.

7. Электромагнитные волны

1. В каких случаях возникает излучение электромагнитных волн?
   1. Когда заряженные частицы движутся с ускорением.
   2. Когда заряженные частицы движутся равномерно.
2. Качество телевизионного изображения зависит от ориентировки телевизионной антенны?
   1. Зависит.
   2. Не зависит.
3. В чем преимущества кабельной системы связи по сравнению с беспроводной связью?
   1. Меньше шумовых помех.
   2. Можно проложить кабель к любому месту.
   3. Более дешевый способ связи.

8. Геометрическая оптика

1. Когда источник света можно считать точечным?
   1. Когда он имеет маленькие геометрические размеры.
   2. Когда его размеры малы в сравнении с расстояниями, с которых он рассматривается.
   3. Никогда.
2. В каких положениях должен находиться наблюдатель, чтобы видеть изображение источника в линзе?
   1. Изображение видно из любых положений.
   2. Изображение видно внутри определенного телесного угла.
   3. Изображение видно только в одном положении вдоль главной оптической оси.
3. Какое изображение называется мнимым?
   1. Изображение называется мнимым, если его не видно.
   2. Изображение называется мнимым, если его нельзя сфотографировать.
   3. Изображение называется мнимым, если его нельзя увидеть на экране. Его положение строится на продолжениях световых лучей.
4. Как отражается луч света от зеркальной поверхности?
   1. Перпендикулярно.
   2. Под произвольным углом.
   3. Угол отражения равен углу падения.
5. Как отражается световой луч от матовой поверхности?
   1. Перпендикулярно.
   2. Под произвольным углом.
   3. Угол отражения равен углу падения.
6. Можно ли использовать плоское зеркало в качестве киноэкрана?
   1. Да.
   2. Нет.
   3. Очень дорого.
7. Полное внутреннее отражение света происходит
   1. на границе раздела двух прозрачных сред, когда свет выходит из более плотной оптической среды и входит в менее плотную среду.
   2. только на границе раздела газ-жидкость.
   3. только, когда свет из стекла выходит в воздух.
8. Зачем оптические волокна сверху покрывают оболочкой с меньшим показателем преломления?
   1. Чтобы защитить от пыли поверхность.
   2. Чтобы создать условия полного внутреннего отражения.
   3. Чтобы увеличить объем передаваемой информации.
9. Какая оптическая ось называется главной?
   1. Которая перпендикулярна плоскости линзы.
   2. Которая проходит через центр линзы.
   3. Которая перпендикулярна плоскости линзы и проходит через ее центр.
10. Какая точка на главной оптической оси называется фокусом?
    1. Если она лежит на оптической оси.
    2. Если она равноудолена от центра линзы.
    3. Если в этой точке собираются параллельные световые лучи после преломления в линзе.
11. Как расположена фокальная плоскость линзы?
    1. Плоскость, которая пересекает любую оптическую ось.
    2. Плоскость, которая пересекает главную оптическую ось.
    3. Фокальная плоскость перпендикулярна главной оптической оси и проходит через фокус линзы.
12. При каких положениях предмета относительно вогнутого сферического зеркала его изображение будет мнимым, прямым и увеличенным?
    1. Когда предмет находится между зеркалом и фокусом.
    2. Когда предмет находится между фокусом и центром зеркала.
    3. Когда предмет находится за центром зеркала.
13. При каких условиях можно получить увеличенное, действительное изображение в вогнутом сферическом зеркале?
    1. Когда предмет находится между зеркалом и фокусом.
    2. Когда предмет находится между фокусом и центром зеркала.
    3. Когда предмет находится за центром зеркала.
14. В каких оптических приборах используется призма?
    1. В фотоаппарате.
    2. В киноаппарате.
    3. В бинокле.
15. Как отклоняется световой луч в призме с малым углом при вершине?
    1. Почти совсем не отклоняется.
    2. Отклоняется по закону: .
    3. Угол отклонения равен углу падения.
16. Какими особыми свойствами обладает прямоугольная равнобедренная призма, когда луч света падает под прямым углом на основание призмы?
    1. Меняет ход лучей на обратный.
    2. Меняет лучи местами.
    3. Поворачивает лучи на 90 градусов.
17. Стеклянная линза будет собирающей, если она по середине толще, чем на краях:
    1. Да.
    2. Нет.
18. Фокусом линзы называется точка, которая лежит на:
    1. главной оптической оси,
    2. побочной оптической оси,
    3. главной оптической оси в месте пересечения параллельных световых лучей после преломления в линзе.
19. Что означает условное обозначение для линзы: ?
    1. Линза собирающая.
    2. Линза рассеивающая.
20. Воздушные линзы в воде фокусируют световые пучки?
    1. Да.
    2. Нет.
21. Какие пары световых лучей удобно использовать для графического построения изображения в линзе?
    1. Параллельный луч света и идущий через центр линзы.
    2. Параллельный луч света и идущий через фокус линзы.
    3. Идущие через фокус и центр линзы.
22. В солнечный жаркий день не рекомендуют поливать растения. Почему?
    1. Быстро высохнет вода.
    2. Растения плохо усваивают влагу.
    3. Растения в некоторых местах, где имеются капельки воды, могут сильно “перегреться”.
23. Какие причины приводят к появлению аберраций в линзах?
    1. Не качественно сделана поверхность линзы.
    2. Выбрали плохое стекло для линзы.
    3. Есть физические причины.
24. Почему демонстрацию фильмов проводят в темном помещении?
    1. Чтобы было не видно друг-друга.
    2. Чтобы было видно лучше изображение на экране, за счет уменьшения фоновой засветки.
    3. Для экономии электроэнергии.
25. Диафрагма в фотоаппарате предназначена для:
    1. улучшения четкости изображения,
    2. повышения яркости изображения,
    3. уменьшения времени экспозиции.
26. Аккомодация глаза происходит:
    1. при изменении освещенности,
    2. при изменении спектрального состава света,
    3. при изменении температуры воздуха.
27. Когда удаленный предмет будет восприниматься глазом как одна точка?
    1. Когда предмет маленький.
    2. Когда видимый угловой размер предмета равен одному градусу.
    3. Когда видимый угловой размер предмета равен 0.01 градуса.
28. Чему равно фокусное расстояние очковых линз, если оптическая сила очков 2 дптр.
    1. 1 м.
    2. 2 м.
    3. 0.5 м.
29. Почему близорукий глаз может различать более мелкие предметы, чем глаз с нормальным зрением?
    1. Четкое изображение возникает, когда предмет находится ближе к глазу, т.е. при большем видимом угловом размере.
    2. Это оптический обман.
    3. Потому что фокусное расстояние глаза близорукого человека меньше, чем у нормального.
30. Чему равен коэффициент увеличения лупы с фокусным расстоянием f?
    1. .
    2. .
    3. .
31. Типичное значение коэффициента увеличения микроскопа равно:
    1. 10.
    2. 100.
    3. 10000.
32. Чем отличается труба Кеплера от трубы Галилея?
    1. Ничем.
    2. Окуляр — собирающая линза.
    3. Окуляр — рассеивающая линза.
33. Как будет действовать зрительная труба, если рассматривать предмет через объектив?
    1. Будет также увеличивать.
    2. Будет уменьшать размер предмета.
    3. Ничего не будет видно.
34. Под каким углом световой луч должен падать на плоское зеркало, чтобы угол между ним и отраженным лучом был равен ?
    1. Под прямым углом.
    2. Под нулевым углом.
    3. Под углом ?
35. Чему должен быть равен наименьший размер зеркала, чтобы человек мог видеть самого себя в полный рост?
    1. 1 м.
    2. Полной высоте роста человека.
    3. Полвысоты роста человека.
36. Дальнозоркий глаз хорошо различает печатный текст с расстояния 50 см. Какой оптической силы очки надо надеть, чтобы читать текст с расстояния 25 см?
    1. 1 дптр.
    2. 2 дптр.
    3. 4 дптр.

9. Физическая оптика

1. Скорость света впервые была измерена:
   1. астрономическим методом,
   2. в лабораторных условиях,
   3. по солнечным затмениям.
2. Действие солнечного света можно наблюдать по:
   1. нагреванию тел,
   2. выцветанию красок,
   3. синему небу.
3. Какие световые волны называются когерентными?
   1. Когда у них равны амплитуды колебаний.
   2. Когда у них равны частоты колебаний.
   3. Когда у них равны начальные фазы колебаний.
4. Почему цветовая окраска тонкой пленки зависит от угла зрения?
   1. Меняется толщина пленки.
   2. Меняются условия интерференции света.
   3. Цвет отраженного света зависит от угла зрения.
5. Если ударить молотком по льду, то в местах мелких трещин возникают цветные переливы. Почему?
   1. В этих местах лед становится цветным.
   2. В этих местах возникает интерференция света.
   3. В этих местах происходит поглощение света.
6. Как можно наблюдать дифракцию света в домашних условиях?
   1. Прищурить глаза и посмотреть на лампочку.
   2. Надеть темные очки и посмотреть на солнце.
   3. Смотреть в темное время суток на звезды.
7. Зонная пластинка имеет:
   1. много фокусов,
   2. один фокус,
   3. три фокуса.
8. Типичное количество штрихов в дифракционной решетке на 1 мм:
   1. 10.
   2. 500.
   3. 10000.
9. Угловая ширина главного дифракционного максимума зависит от:
   1. частоты света,
   2. скорости света,
   3. интенсивности света.
10. Когда можно пользоваться понятием параллельный пучок света?
    1. Никогда.
    2. На больших расстояниях.
    3. На расстояниях .
11. Почему в оптическом микроскопе не удается разглядеть объекты с размерами много меньше микрона?
    1. Недостаточный коэффициент увеличения микроскопа.
    2. Плохо освещен предмет.
    3. Не позволяет явление дифракции света.
12. Длина волны света в воздухе 525 нм, а в воде 400 нм. Как изменилась частота света в воде?
    1. Частота света уменьшилась.
    2. Частота света увеличилась.
    3. Частота света не изменилась.

10. Взаимодействие света с веществом

1. Какой свет называется естественным?
   1. Свет от солнца.
   2. Свет от лампы накаливания.
   3. Свет карманного фонарика.
2. Какие свойства приобретает свет, когда проходит через пластинку турмалина?
   1. Становится только поляризованным.
   2. Становится синим.
   3. Становится поляризованным и зеленым.
3. Поляризованный свет используется для:
   1. освещения помещений,
   2. изучения внутренних напряжений, возникающих в различных механических конструкциях при их деформации.
   3. изучения закона отражения света.
4. Почему белый свет разлагается в спектр при прохождении через стеклянную призму?
   1. Показатель преломления стекла призмы зависит от частоты света.
   2. Свет разной частоты по разному поглощается в призме.
5. Какие пары простых цветов называют дополнительными?
   1. Которые при смешивании дают белый свет.
   2. Которые при смешивании дают синий свет.
   3. Которые при смешивании дают зеленый свет.
6. Если из светового пучка белого цвета убрать красный цвет, то световой пучок приобретет окраску:
   1. Голубую.
   2. Фиолетовую.
   3. Желтую.
7. Какого цвета будет красное стекло, если оно освещается синим светом?
   1. Синим.
   2. Красным.
   3. Черным.
8. Чем определяется цвет тела при его рассмотрении в естественном свете?
   1. Спектральным составом отраженного света.
   2. Спектральным составом поглощенного света.
   3. Качеством обработки поверхности тела.
9. Почему выбрали красный цвет для сигнала стоп дорожного светофора и тормозных фонарей автомобиля?
   1. Людям нравится этот цвет.
   2. Меньше поглощается в воздухе.
   3. Психологически воспринимается как опасность.
10. Обработка заснятой фотопленки возможна при:
    1. красном свете,
    2. синем свете,
    3. только в темноте.

11. Фотометрия. Спектроскопия

1. Кривая чувствительности глаза показывает:
   1. спектр излучения солнечного света,
   2. зависимость физиологического восприятия света от его частоты.
   3. зависимость физиологического восприятия света от его интенсивности.
2. Почему нужны фотометрические единицы измерения световой энергии?
   1. Так сложилось исторически.
   2. Эти единицы измерения удобны в повседневной жизни.
   3. Физиологическое восприятие освещенности зависит от частоты света в большей степени, чем от его энергетических характеристик.
3. Сформулируйте закон освещенности для точечного источника света.
   1. Освещенность не зависит от расстояния.
   2. Освещенность не зависит от интенсивности света.
   3. Освещенность убывает с расстоянием по закону .
4. Две лампочки мощностью 64 Вт и 4 Вт расположены на расстоянии 3 м друг от друга. Где между ними надо поставить экран, чтобы освещенности его сторон были одинаковы?
   1. Экран надо поставить по середине.
   2. Экран надо поставить на расстоянии 2 м от первой лампочки.
   3. Экран надо поставить на расстоянии 2.4 м от первой лампочки.
5. Почему зимой холодно, а летом тепло в средних широтах Земли?
   1. Зимой земля находится дальше от солнца.
   2. Летом земля находится ближе к солнцу.
   3. Летом угол падения солнечных лучей возрастает по сравнению с зимним периодом.
6. Линейчатые спектры наблюдаются:
   1. При нагревании твердых тел.
   2. При нагревании газовой среды.
   3. При нагревании жидкостей.
7. В чем состоит фундаментальность линейчатого спектра?
   1. Имеет простую структуру.
   2. Расположение линий имеет неповторимую структуру.
   3. Расположение отдельных линий может совпадать с положением линий других атомов.
8. На каких фактах основан спектральный анализ?
   1. Линейчатый спектр излучения неповторим для каждого атома.
   2. Положение линий спектра излучения подчиняется определенным закономерностям.
   3. Спектр излучения совпадает со спектром поглощения.

12. Основы теории относительности

1. Может ли световой зайчик, создаваемый поворачивающимся зеркальцем, бежать по стене со скоростью, большей скорости света?
   1. Да.
   2. Нет.
2. В состоянии покоя частица живет  с. Какое расстояние она пролетит до распада при скорости  м/с?
   1. 500 м.
   2. 250 м.
   3. 125 м.
3. Найти в системе Земли длину стрелы, летящей со скоростью , если длина неподвижной стрелы равна одному метру.
   1. 1 м.
   2. 60 см.
   3. 80 см.
4. С релятивистского поезда, движущегося со скоростью , вылетает ядро со скоростью относительно поезда вперед по направлению движения. Чему равна скорость ядра относительно Земли?
   1. 1.25 с.
   2. 0.9 с.
   3. 10/11 с.

13. Квантовая физика

1. На экваторе в полдень интенсивность солнечного света составляет около 1 кВт/м. Сколько фотонов за секунду падает на 1 см? Считать, что средняя длина волны фотонов равна 500 нм.
   1. .
   2. .
   3. .
2. Электрическая лампочка мощностью 100 Вт испускает лишь 3% энергии в видимой области спектра. Сколько таких фотонов попадет в глаз (диаметр зрачка принять равным 3 мм) за 0,05 с (временное разрешение глаза), если лампочка находится на расстоянии 1 км.
   1. 300.
   2. Нисколько.
   3. 30000.
3. Каким бы был размер атома, если бы заряд электрона был бы в 10 раз больше?
   1. Не изменился.
   2. Уменьшился бы в десять раз.
   3. Уменьшился бы в сто раз.
4. Запирающий потенциал фотоэлектронов 5,3 В. Чему равна максимальная скорость фотоэлектронов?
   1. 13 км/с.
   2. 130 км/с.
   3. 1300 км/с.
5. Работа выхода из металла равна 6,4 эВ. Чему равна пороговая частота света, для возникновения фотоэффекта?
   1. 5.5 ТГц.
   2. 10.5 ТГц.
   3. 15.5 ТГц.
6. Пороговая частота света фотоэффекта 0.5 ТГц. Чему равна максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, если частота света равна 7.5 ТГц?
   1. 0.1 эВ.
   2. 9 эВ.
   3. 0.9 эВ.
7. Кинетическая энергия электрона равна 1 эВ. Чему равна дебройлевская длина волны?
   1. 12.4 мкм.
   2. 0.124 мкм.
   3. 1.24 мкм.

14. Ядерная физика

1. Почему масса ядер меньше, чем суммарная масса составляющих их протонов и нейтронов?
   1. За счет энергии связи.
   2. За счет внутреннего движения протонов и нейтронов.
   3. За счет ошибки измерения.
2. Чем различаются изотопы одного и того же элемента?
   1. Разным количеством электронов.
   2. Разным количеством протонов.
   3. Разным количеством нейтронов.
3. Во сколько раз ядерная материя плотнее, чем вода?
   1. В 1000 раз.
   2. В 1000 000 раз.
   3. В 1000 000 000 раз.
4. Допишите уравнение радиактивного распада ядра полония там, где это возможно.
   1. .
   2. .
   3. .
5. Радиактивное вещество имеет период полураспада 2 часа? Во сколько раз уменьшится масса этого вещества через 10 часов?
   1. В 10 раз.
   2. В 5 раз.
   3. В 32 раза.
6. Масса радиактивного вещества за 6 часов уменьшилась в 8 раз. Чему равен период полураспада этого вещества?
   1. 2 часа.
   2. 4 часа.
   3. 3 часа.
7. Изотопами называются атомы, у которых разное количество
   1. электронов.
   2. протонов.
   3. нейтронов.
8. Какие частицы испускаются при радиактивном распаде ядер?
   1. электроны.
   2. альфа-частицы.
   3. гамма-кванты.

15. Физика элементарных частиц

1. Какие фундаментальные силы в природе вы знаете?
   1. Силы трения.
   2. Силы Кулоновского взаимодействия.
   3. Упругие силы деформаций твердых тел.
   4. Силы гравитационного взаимодействия.
2. Какие частицы переносят сильные взаимодействия?
   1. Фотон.
   2. Электрон.
   3. глюон.
3. Из каких частиц состоит вся материя?
   1. электронов и протонов.
   2. протонов и нейтронов.
   3. кварков и лептонов.
4. Как называются частицы, которые связывают кварки внутри протонов и нейтронов?
   1. гравитоны.
   2. пи-мезоны.
   3. глюоны.
5. Какая из открытых элементарных частиц имеет самую большую массу?
   1. Протон.
   2. W-бозон.
   3. -лептон.
6. Какой из перечисленных ниже распадов не противоречит законам сохранения?
   1. ,
   2. ,
   3. .

Ответы

1. Электростатическое поле

1 (a). 2 (a). 3 (a). 4 (c). 5 (c). 6 (a). 7 (a). 8 (b). 9 (b). 10 (a). 11 (c). 12 (c). 13 (c). 14 (a). 15 (b). 16 (a). 17 (b). 18 (c). 19 (c). 20 (a). 21 (a). 22 (b).

2. Постоянный электрический ток

1 (c). 2 (b). 3 (b). 4 (c). 5 (b). 6 (a). 7 (a). 8 (a). 9 (c). 10 (b). 11 (c). 12 (c). 13 (b). 14 (a). 15 (a). 16 (a). 17 (a). 18 (b). 19 (c). 20 (b). 21 (a). 22 (a).

3. Магнитное поле

1 (a). 2 (a). 3 (b). 4 (a). 5 (a). 6 (b). 7 (a). 8 (b). 9 (a). 10 (b). 11 (a).

4. Механические колебания

1 (a). 2 (c). 3 (a). 4 (c). 5 (c). 6 (c). 7 (b). 8 (b). 9 (a). 10 (c). 11 (b). 12 (b). 13 (a).

5. Электромагнитные колебания

1 (c). 2 (b). 3 (a). 4 (c). 5 (b). 6 (b). 7 (a). 8 (c). 9 (b). 10 (c). 11 (c). 12 (a). 13 (a). 14 (b). 15 (a). 16 (c). 17 (a). 18 (b). 19 (c). 20 (b). 21 (c). 22 (c). 23 (a). 24 (c). 25 (c).

6. Механические волны

1 (c). 2 (a). 3 (a). 4 (b). 5 (a). 6 (c). 7 (a). 8 (b). 9 (b). 10 (a). 11 (c). 12 (a). 13 (b). 14 (a). 15 (b). 16 (c). 17 (c). 18 (a). 19 (c). 20 (a). 21 (c). 22 (a).

7. Электромагнитные волны

1 (a). 2 (a). 3 (a).

8. Геометрическая оптика

1 (b). 2 (b). 3 (c). 4 (c). 5 (b). 6 (b). 7 (a). 8 (b). 9 (c). 10 (c). 11 (c). 12 (a). 13 (b). 14 (c). 15 (b). 16 (a). 17 (a). 18 (c). 19 (a). 20 (a). 21 (a), (b), (c). 22 (c). 23 (c). 24 (b). 25 (a). 26 (a). 27 (c). 28 (c). 29 (a). 30 (a). 31 (b). 32 (c). 33 (b). 34 (c). 35 (c). 36 (b).

9. Физическая оптика

1 (a). 2 (a), (b), (c). 3 (b). 4 (b). 5 (b). 6 (a). 7 (a). 8 (b). 9 (a). 10 (c). 11 (c). 12 (c).

10. Взаимодействие света с веществом

1 (a). 2 (c). 3 (b). 4 (a). 5 (a). 6 (a). 7 (c). 8 (a). 9 (b). 10 (a).

11. Фотометрия. Спектроскопия

1 (b). 2 (c). 3 (c). 4 (c). 5 (c). 6 (b). 7 (b). 8 (a).

12. Основы теории относительности

1 (a). 2 (a). 3 (c). 4 (c).

13. Квантовая физика

1 (b). 2 (c). 3(c). 4 (c). 5 (c). 6 (c). 7 (c).

14. Ядерная физика

1 (a). 2 (c). 3 (c). 5 (c). 6 (a). 7 (c). 8 (a), (b), (c).

15. Физика элементарных частиц

1 (b), (d). 2 (c). 3 (c). 4 (c). 5 (b). 6 все противоречат.

Природа магнитного поля : Дискуссионные темы (Ф)

Вообще-то в квантовой механике частицу описывает волновая функция. И есть целая квантовая электродинамика в которой электромагнитное поле прекрасно описывается.

А ещё подумать ещё лучше, то можно понять, что есть одно электромагнитное поле.

Но например, представим, такую возможность, что электромагнитную волну можно описать с позиции ускоренного движения электрического заряда в гравитационном поле, тогда необходимость в магнитном поле как таковом отпадает и все сводится к грави-электрическому взаимодействию двух заряженных частиц. И согласно принципу бритвы Оккама данное утверждение будет более рациональным, конечно же при условии верности и объективности гипотезы…

Из количественной очевидно следует и качественная.

К сожалению не всегда. Так как как минимум математика опирается на чисто логические абстракции, которые нередко отличаются от абстракций физических, но это конечно же не мешает использовать математику в физическом описании мира, (но надо по возможности сильно и не увлекаться, например, представляя точку или вектор как что-то абсолютно материальное). Вообщем, рассуждение между количественным и качественным общефилософская тема.
Например, измеряя уменьшения объема воды в баке и пропорциональное ему увеличение обема воды в расположенном ниже (и изначально пустом) резервуаре вовсе не следует, что вода стала перетекать из верхнего бака в нижний под действием силы тяжести или вследствие того, что мы включили насос…

Возьмите магнит — будете наблюдать.

Природа магнита более сложна и он имеет доменную (ячеистую) структуру, так что не удивительно, что при нагреве магнит начнет размагничиваться. В принципе, это не единственно возможное объяснение, но вот связь с кристаллической структурой и магнитными свойствами кристаллических веществ по видимому имеется…

И что из того, что у них нет аналога?

Правильнее был бы вопрос а почему его нет и нужен ли он вообще?

Да, есть одно электромагнитное поле, которое делят на электрическое и магнитное.

Также возможно, что есть только электрическое поле которое делят на магнитное и электрическое. Так что из определений очень сложно судить о качественном соотношении явлений…

Электричество и магнетизм

Посмотрим, как обстоит дело с аналогичной величиной для магнитного поля. Возьмем замкнутый контур, охватывающий прямой ток, и вычислим для него циркуляцию вектора В, то есть

 

Как было получено выше, магнитная индукция, создаваемая прямолинейным проводником с током на расстоянии R от проводника, равна

Рассмотрим случай, когда контур, охватывающий прямой ток, лежит в плоскости, перпендикулярной току, и представляет собой окружность радиусом R с центром на проводнике. В этом случае циркуляция вектора В  по этой окружности равна

(6.29)

откуда

(6.30)

Можно показать, что результат для циркуляции вектора магнитной индукции не меняется при непрерывной деформации контура, если при этой деформации контур не пересекает линий тока. Тогда в силу принципа суперпозиции циркуляция вектора магнитной индукции по пути, охватывающем несколько токов, пропорциональна их алгебраической сумме (рис. 6.30)

(6.31)

Рис. 6.30. Замкнутый контур (L) с заданным направлением обхода.
Изображены токи I₁, I₂ и I₃, создающие магнитное поле.
Вклад в циркуляцию магнитного поля вдоль контура (L) дают только токи  I₂ и I₃

Если выбранный контур не охватывает токов, то циркуляция  по нему равна нулю. 

При вычислении алгебраической суммы токов следует учитывать знак тока: положительным будем считать ток, направление которого связано с направлением обхода по контуру правилом правого винта. Например, вклад тока I₂ в циркуляцию — отрицательный, а вклад тока I₃ — положительный (рис. 6.18). Воспользовавшись соотношением

между силой тока I через любую замкнутую поверхность S и плотностью тока , для циркуляции вектора В можно записать

(6.32)

где S — любая замкнутая поверхность, опирающаяся на данный контур L. 

Итак,  

Циркуляция магнитной индукции отлична от нуля, если контур, по которому она берется, охватывает ток.

 

Такие поля называются вихревыми. Поэтому для магнитного поля нельзя ввести потенциал, как это было сделано для электрического поля точечных зарядов. Наиболее наглядно разницу потенциального и вихревого полей можно представить по картине силовых линий. Силовые линии электростатического поля похожи на ежей: они начинаются и кончаются на зарядах (либо уходят в бесконечность). Силовые линии магнитного поля никогда не напоминают «ежей»: они всегда замкнуты и охватывают текущие токи. 

Для иллюстрации применения теоремы о циркуляции найдем другим методом уже известное нам магнитное поле бесконечного соленоида. Возьмем прямоугольный контур 1-2-3-4 (рис. 6.31) и вычислим циркуляцию вектора В по этому контуру

(6.33)

Рис. 6.31. Применение теоремы о циркуляции В к определению магнитного поля соленоида 

Второй и четвертый интегралы равны нулю в силу перпендикулярности векторов  и . Третий интеграл можно положить равным нулю, ввиду малости магнитного поля вне соленоида. Поэтому

(6.34)

Рассмотренный контур охватывает суммарный ток nlI, где n — число витков соленоида, приходящееся на единицу длины, I — сила тока в соленоиде. Следовательно,

или

 

(6.35)

Мы воспроизвели результат (6.20) без интегрирования магнитных полей от отдельных витков. 

Полученный результат (6.35) можно использовать для нахождения магнитного поля тонкого тороидального соленоида (рис.6.32).  

 

Рис. 6.32. Тороидальная катушка: линии магнитной индукции замыкаются внутри катушки и представляют собой концентрические окружности. Они направлены так, что глядя вдоль них, мы увидели бы ток в витках, циркулирующим по часовой стрелке. Одна из линий индукции некоторого радиуса r₁ ≤ r < r₂ изображена на рисунке

 

Дополнительная информация 

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/pioneers/weber.html — Вильгельм Вебер (1804–1891).

Магнитное монопольное поле, экспонируемое электронами

Магнитные монополи обеспечили обширную область исследований, что привело к широкой области исследований в области физики элементарных частиц ^4,5,6 , физики твердого тела ⁷ , сверххолодных газов ⁸ , сверхпроводники ⁹ , космология ⁴ и калибровочная теория ¹⁰ . Поскольку электрические заряды можно рассматривать как монопольные источники и стоки линий электрического поля, сильная симметрия с магнитными и электрическими полями, например, в уравнениях Максвелла для свободного пространства ^19,20,21 , также намекает на возможное существование магнитных монополей. .Пока поиск таких магнитных монополей не увенчался успехом. Однако эффективное монопольное поле может быть создано на кончике наноскопической намагниченной ферромагнитной иглы ^11,17 . Эффект Ахаранова-Бома ¹² может быть использован для понимания эффектов такого монопольного поля на его окружение, которое имеет решающее значение для его наблюдения и обеспечивает лучшее понимание фундаментальной физической теории. Предыдущие исследования ограничивались теоретическими полуклассическими оптическими расчетами движения электронов в таком монопольном поле ¹³ .Твердотельные системы, такие как недавно изученный «спиновый лед», обеспечивают систему с ограничениями для изучения подобных полей, но делают невозможным отделение монополя от материала ⁷ . Здесь мы реализуем дифракцию быстрых электронов на магнитном монопольном поле, создаваемом концом длинной магнитной иглы. Распространение электронов в свободном пространстве помогает понять динамику электронно-монопольной системы без сложности твердотельной системы и позволит различным областям физики использовать эффекты монопольных полей.Различные прогнозы относительно углового момента, траекторий движения и общих эффектов поля можно легко изучить с помощью имеющегося оборудования. Проведенный здесь эксперимент показывает, что даже без истинной магнитной монопольной частицы теоретический фон монополей служит основой для экспериментов.

Действительно, было предсказано, что когда плоская электронная волна взаимодействует с гипотетическим магнитным монополем, возникнет вихревое электронное состояние Ψ _из ^{3,11,12,13,14,15,16,17, 18} :

, где м в зависимости от заряда магнитного монополя и ϕ — азимутальный угол в плоскости, перпендикулярной распространению электронной волны.

Теперь аппроксимация магнитного монополя концом магнитной стрелки приводит к аналогичным эффектам. Действительно, такой полубесконечный цилиндр магнитного потока рассматривался в более ранних работах по магнитным монополям, но до сих пор оставался мысленным экспериментом ²² . Из описания поля монополя векторным потенциалом, магнитная линия или «струна Дирака» возникает как математическая патология, которую нельзя было бы обнаружить, если бы магнитный монополь был истинным монополем, что привело к знаменитому квантованию магнитного заряда ¹ .

Магнитный векторный потенциал A — математический инструмент, используемый в квантовой физике, который имеет реальные, измеримые эффекты ¹² , которые были экспериментально продемонстрированы методом дифракции электронов ^18,23 . Фаза Ааронова – Бома (AB) приобретается электроном, когда его путь охватывает магнитный поток:

, где d s является бесконечно малой частью траектории. Эта фаза представляет собой чисто квантово-механический эффект, поскольку он присутствует, даже если электрон не пересекает область, содержащую магнитный поток, — случай, когда классические силы не влияют на проходящие электроны.Эффект Ааронова-Бома чаще всего обсуждают с бесконечными цилиндрами магнитного потока, избегая интересных конечных точек, где магнитное поле B = rot A принимает форму монополя:

, где r является радиальным вектором. длиной r , начиная с конца цилиндра. Если вычислить фазу Ааронова – Бома для электронов, перпедикулярно проходящих через полубесконечный цилиндр потока, можно получить линейную азимутальную зависимость вокруг конечной точки цилиндра ²⁴ :

Это означает, что проходящий электрон действительно будет преобразован в вихревое состояние.Для истинного монопольного поля, где квантуется заряд г , это приводит к целому числу м ( г = м ℏ c / (2 e )), что приводит к идеальному фазовому вихрю. топологического заряда м . Существует несколько различных выводов этого фазового фактора, все они широко обсуждаются в литературе и все предсказывают один и тот же фазовый фактор вихря ^3,22,24 . Набросок и обсуждение тонких различий между эффектом полубесконечного цилиндра потока и истинного монополя даны на дополнительном рис.8.

Тщательная настройка магнитной стрелки приводит к той же фазовой структуре, которая неотличима от истинного монополя, пока игла тонкая и поток сходится к квантованному потоку. Здесь мы успешно создали приближение струны Дирака с наноскопической намагниченной ферромагнитной иглой. Взаимодействие плоской электронной волны только с одним концом иглы позволяет осуществить типичный азимутальный фазовый сдвиг Ааронова – Бома и создать вихревые электронные состояния, как показано на рис.1а.

Рисунок 1: Концепция и конструкция монопольного поля.

a , Входящая электронная плоская волна преобразуется в вихревой пучок со спиральным волновым фронтом за счет взаимодействия с магнитным полем монополя (оранжевые линии со стрелками). b , Сканирующая электронная микрофотография экспериментальной схемы. Никелевая игла и ее медное основание припаяны к позолоченной апертуре SiN с помощью осаждения Pt с помощью ФИП. Половина никелевой иглы расположена над круглым отверстием диаметром 20 мкм, образуя локальное монопольное поле.

Игла извлекается из массивного Ni с помощью инструмента сфокусированного ионного пучка (FIB), в результате чего получается конус, приближающийся к удлиненному цилиндру с углом конуса около 2 °, показанный на рис. 1b. Сильная анизотропия формы между длиной иглы (21,4 мкм) и диаметром острия всего 200 нм приводит к ситуации, когда возникает только один осевой магнитный домен. После формирования иглы ее помещают в круглое отверстие диаметром 20 мкм, просверленное в немагнитной тонкой пленке SiN, покрытой золотом, чтобы электроны могли взаимодействовать только с одним концом иглы и ее магнитным монопольным полем.

Мы можем проверить магнитное состояние на кончике никелевой иглы (красный квадрат на рис. 2а), вставив ее в просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ) и выполнив электронную голографию в условиях отсутствия поля ^11,18 , схематично показано на дополнительном рис. 1. Этот метод измеряет фазовый сдвиг Ахаранова – Бома электронов, вызванный векторным магнитным потенциалом вокруг иглы. Полученная экспериментальная фазовая карта показана на рис. 2b и демонстрирует типичный спиралевидный характер в качественном согласии с результатами моделирования методом конечных элементов для той же формы, представленной на рис.2c и дополнительный рис. 2. Фазовое изображение напоминает изображение оптических спиральных фазовых пластин, которые используются для создания оптических вихрей ²⁵ . Воздействие на иглу внешнего осевого магнитного поля переворачивает ось намагничивания без перехода через многодоменные состояния (дополнительный рис. 3). Когда направление намагничивания меняется на противоположное, направление фазы меняется на противоположное, как и ожидалось (дополнительный рис. 3). В этом смысле кончик иглы ведет себя как магнитный монополь с полярностью, которую можно выбрать в зависимости от направления намагничивания.

Рисунок 2: Влияние иглы на фазу электронов.

a , Увеличенный снимок, сделанный с помощью сканирующего электронного микроскопа, иглы, расположенной на круглом отверстии. Красная пунктирная квадратная область указывает положение изображений b и c . b , Экспериментальная фазовая карта, вызванная магнитным полем вокруг иглы Ni, полученная с помощью электронной голографии в условиях отсутствия поля. Фазовая карта нарисована в трех измерениях, чтобы подчеркнуть ее спиральность. c , Моделирование методом конечных элементов фазовой карты вокруг смоделированной иглы. Подробные фазовые профили представлены на дополнительном рисунке 4.

Освещение иглы плоской электронной волной (300 кВ, λ = 1,97 пм) внутри ПЭМ позволяет экспериментально проверить, создает ли магнитное монопольное поле вихревое электронное состояние. Серия изображений записывается в дальнем поле при различной расфокусировке формирующего изображения объектива, показывающего на рис. 3а наличие центральной темной области.Эта стойкая область деструктивной интерференции является явным признаком разрыва фазы в центре, как и ожидалось для вихревых волн. Кольцо не совсем замкнуто, что происходит при наличии нецелого орбитального углового момента (OAM) ²⁶ . Разложение фазовой карты по всей апертуре для смоделированной намагниченной иглы на собственные моды OAM действительно показывает, что отклонение от чисто цилиндрической формы приводит к распределению собственных мод OAM со средним значением -5,8ℏ на электрон (дополнительный рис.5). Эти экспериментальные наблюдения удивительно хорошо согласуются с волновыми оптическими моделями, представленными на рис. 3b, что исключает возможность того, что темная область вызвана эффектом затенения (см. Дополнительный рис. 6 для дальнейшего моделирования).

Рис. 3. Электронные вихревые состояния, наблюдаемые после взаимодействия с полем монополя.

a , Серия сквозного фокусирования апертуры иглы в плоскости дифракции. Обратите внимание на устойчивую темную область в центре, вызванную деструктивной интерференцией, характерной для вихревых волн.Центральное изображение в ближнем фокусе показывает профиль интенсивности, напоминающий пончик, типичный для вихревого пучка, который открывается с одной стороны и указывает на нецелый полный орбитальный угловой момент. b , Волновое оптическое моделирование, полученное преобразованием Фурье комплексной волны из рис. 2c с примененной дефокусировкой Френеля. Обратите внимание на подробное согласие с экспериментальными цифрами в a . Аналогичное моделирование, предполагающее отсутствие азимутальной фазы, приведено в дополнительной информации, показывающее совсем другое поведение, исключающее возможность того, что черная область вызвана эффектами затенения от иглы.Профили интенсивности также приведены в дополнительной информации. c , Серия через фокусировку луча, наполовину обрезанного острой кромкой. Вращение изображения на протяжении серии, обозначенное белыми стрелками, доказывает наличие чистого отрицательного орбитального углового момента.

Мы также можем экспериментально доказать, что эта электронная волна теперь обладает чистым орбитальным угловым моментом, индуцированным взаимодействием с монопольным полем, используя фазовый метод Гуи ^27,28 , схематически изображенный на дополнительном рис.1. Для волн с чистым OAM мы ожидаем поворота изображения на π при прохождении через фокус с направлением вращения, зависящим от знака OAM. Это точное поведение наблюдается на рис. 3c, который показывает четкое вращение по часовой стрелке при переходе от недофокусировки к перефокусировке.

Эти эксперименты показывают, что наше приближение к струне Дирака действительно дает магнитное монопольное поле. Разница между истинным монополем и этим приближением заключается в эффектах потока, возвращающегося к игле, что снова делает поле без дивергенции, как можно видеть из расфокусированных изображений, показывающих полосы Френеля от края и пересоединение фазы по игла (рис.3а). Этот эффект является причиной того, что на экспериментальных голограммах не наблюдаются раздвоенные полосы (дополнительный рис. 3a, b). Детальное голографическое моделирование, показывающее эту тонкую разницу в пересоединении между истинным монополем и струной Дирака, показано на дополнительном рис. 7 вместе со схемой, объясняющей создание фазовых сингулярностей в обоих случаях (дополнительный рис. 8).

Чем дальше мы углубляемся в дальнее поле, тем больше исчезает этот эффект иглы и тем больше результирующая волна становится настоящим электронным вихрем, как если бы взаимодействие имело место с реальным монополем.Ожидается, что игла с целочисленным зарядом позволит вихрю достаточной чистоты исцелить себя, устраняя это искажение ²⁹ .

Вышеупомянутый эксперимент показывает, насколько возможны квантовые эксперименты с магнитными монополями, и предоставляет очень многообещающий способ создания электронных вихрей для приложений в электронной микроскопии с почти восьмикратным усилением интенсивности пучка, избегая при этом других нежелательных пучков по сравнению с методами голографической реконструкции, используемыми в присутствует ^13,30 .Настоящее устройство является статическим, и его магнитная поляризация полностью зависит от формы и материала иглы. Однако нет никаких фундаментальных препятствий для создания соленоида нанометрового размера, обеспечивающего любой поток в струне Дирака в зависимости от приложенного тока. Это расширение обеспечило бы динамически переключаемый источник вихревых электронов, что было бы очень желательно для улучшения скорости, гибкости и отношения сигнал / шум в экспериментах с вихревыми электронами.

Несмотря на то, что для удобной демонстрации эффекта использовался электронный микроскоп, последствия этого эксперимента достигают гораздо большего, поскольку эффект Ааронова-Бома не зависит от скорости электронов, а вихревые состояния могут возникать, например, в твердых телах. системы состояний, в которых электроны проводимости сталкиваются с аналогичными монопольными полями.Действительно, если бы достаточно когерентный электронный волновой пакет в материале столкнулся бы с подобным приближенным монопольным полем (например, созданным ферромагнитным включением), он получил бы топологически защищенную азимутальную фазу, возможно, изменив динамику его распространения.

Магнитный заряд — обзор

ПАМЯТЬ УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ И ВВОДА / ВЫВОДА (I / O)

В контексте электроники память относится к устройству для хранения цифровой информации. Наиболее широко используемые цифровые запоминающие устройства — это запоминающие устройства для чтения / записи, которые выполняют операции чтения и записи с одинаковой или одинаковой скоростью.Важные характеристики включают емкость хранилища, стоимость за бит, надежность, скорость работы (определяемую временем доступа), время цикла и скорость передачи данных. Время доступа — это просто время, необходимое для чтения или записи в любом месте хранения. Некоторые запоминающие устройства, такие как ОЗУ, имеют одинаковое время доступа к любому месту хранения, тогда как запоминающие устройства с последовательным и блочным доступом имеют время доступа, которое зависит от выбранного места хранения. С другой стороны, время цикла — это указанный минимальный период времени, в течение которого память с произвольным доступом может завершить операцию чтения / записи, а скорость передачи данных — это скорость, с которой информация передается в или из последовательных мест хранения.

Как правило, программы и данные должны сохраняться в течение длительного времени, чтобы их можно было использовать повторно. Они хранятся в менее дорогой вспомогательной памяти, предоставляемой периферийными запоминающими устройствами, и при необходимости загружаются в рабочую память. Концептуально вспомогательную память можно разделить на два типа: активная и архивная. Активное хранилище используется для хранения данных с долгосрочным сроком действия (например, медицинская карта пациента, который в настоящее время проходит лечение в больнице, которую, возможно, потребуется получить с небольшой задержкой (в течение нескольких секунд или меньше).С другой стороны, архивное хранилище используется для хранения данных для документации или юридических целей (Perreault and Wiederhold, 1990).

В настоящее время магнитные диски (например, жесткие или гибкие) являются наиболее распространенными носителями для активного хранения. Каждый магнитный диск представляет собой круглую плоскую пластину из материала, который может принимать и хранить магнитный заряд. Диск вращается под головкой чтения / записи, как пластинка фонографа, вращающаяся под иглой. Когда диск вращается, данные сохраняются головкой чтения / записи, которая помещает последовательность магнитных зарядов на поверхность диска вдоль круговых дорожек.Точно так же головка чтения / записи считывает данные, обнаруживая наличие или отсутствие заряда вдоль дорожек. Дисковый блок состоит из одного или нескольких дисков — фиксированных или съемных, приводной системы для вращения диска, подвижной головки чтения / записи для доступа к данным и механизма для размещения головки чтения / записи над поверхностью диска. .

Магнитные диски (обозначаемые как жесткие или гибкие) дешевле, чем основная память, но получение данных с них происходит намного медленнее. В то время как ЦП может быстро получить доступ к любому элементу данных в ОЗУ путем прямого обращения к ячейке памяти, он должен обращаться к внешним хранилищам данных в два трудоемких этапа: во-первых, он должен механически позиционировать головку чтения / записи над дорожкой, где хранятся данные. , то он должен последовательно перебирать дорожки, следуя за дорожкой при вращении диска.Как только головка чтения / записи установлена ​​правильно, блоки данных могут быть быстро переданы. В то время как к данным в рабочей памяти можно обращаться за микросекунды, время доступа к данным, хранящимся на диске, может достигать нескольких десятых секунды.

Самым распространенным носителем для архивного хранения является магнитная лента, пластиковая лента, покрытая материалом, который может принимать и хранить магнитный заряд. Подобно дисководу, ленточный накопитель имеет головку чтения / записи, которая размещает или обнаруживает магнитные заряды вдоль дорожек ленты.Магнитная лента в настоящее время является наименее дорогим средством хранения архивных данных, но получение архивных данных происходит медленно. Оператор компьютера должен найти ленту и физически закрепить ее на ленточном накопителе — процедура, которая может привести к задержкам в несколько минут или часов. Затем ленту необходимо сканировать линейно от начала до тех пор, пока не будет обнаружена информация.

Оптическая память — это относительно новая технология, популярность которой быстро растет. Основное преимущество использования оптических дисков заключается в том, что огромные объемы данных могут храниться в компактном виде — высокая длина волны света обеспечивает гораздо более высокую плотность пятен, несущих данные, на поверхности диска, чем может быть достигнуто на магнитных дисках. СМИ.Компактный диск только для чтения / памяти (CD / ROM) хранит предварительно записанную информацию, которая считывается тонко сфокусированным полупроводниковым лазером, который обнаруживает отражения от диска. Такие компакт-диски стали обычным носителем для записи и воспроизведения музыки. Первым медицинским применением технологии оптических дисков было хранение больших массивов справочных материалов.

Выбор носителя данных имеет большое влияние на производительность и стоимость компьютерной системы. Данные, которые необходимы быстро, должны храниться в более дорогих, активных хранилищах (например, на жестких дисках).Менее критичные ко времени данные можно заархивировать на менее дорогих носителях (например, на магнитных лентах или гибких дисках). Поскольку данные часто должны быть общими, разработчик должен учитывать, кто будет читать данные и как эти данные будут считываться. Устройства, которые могут работать со стандартными магнитными лентами или дискетами, позволяют обмениваться данными между сайтами; данные копируются и физически транспортируются в пункт назначения с совместимым диском. Совместимость запоминающих устройств менее важна, когда компьютеры подключены к коммуникационным сетям, которые могут передавать данные с места на место по проводам, а не путем физического перемещения носителя данных.

Различные устройства ввода / вывода позволяют пользователям напрямую связываться с компьютером и просматривать результаты выполняемых им вычислений. Устройства ввода переводят информацию из ее первоначальной формы, обычно рукописного, машинописного или напечатанного документа, в машиночитаемую форму. Для этого терминалы видеодисплея (VDT) с соответствующими клавиатурами действуют как первичный вход для данных или программы. Например, во время сбора истории болезни в скрининговом клинике пациент отвечает непосредственно на вопросы, отображаемые на консольном терминале.После того, как пациент ответит, компьютер записывает ответ и переходит к следующему вопросу. При анализе информации, полученной от контрольного или лабораторного оборудования, аналоговые электрические сигналы преобразуются в соответствующий цифровой формат аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Также доступны оптические сканеры для оцифровки печатного документа, рисунка или изображения. Принтеры и телетайпы являются наиболее часто используемыми устройствами вывода, но, опять же, можно преобразовать последовательность цифровых чисел в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и иметь внешние устройства управления электрическим сигналом. (например, увлажнители или кондиционеры, управляющие микроклиматом в помещении).Таким образом, компьютеры могут напрямую связываться с другими машинами для достижения определенной цели (например, регулирования температуры и влажности воздуха в инкубаторах, чтобы гарантировать, что у недоношенных младенцев есть подходящая среда).

Таинственный пропавший магнитный монополь

Все магниты, которые мы когда-либо видели, имеют север и юг, но могут быть такие, у которых только один конец. Предоставлено: Shutterstock.

Вы, наверное, слышали о бозоне Хиггса.Было предсказано, что эта неуловимая частица существует давно, и она помогла объяснить, почему Вселенная работает именно так, но нам потребовались десятилетия, чтобы ее обнаружить.

Что ж, есть еще одна неуловимая частица, которая также была предсказана квантовой физикой, и она отсутствовала еще долгое время. На самом деле, мы до сих пор не заметили ни одного, и не потому, что не пытались.

Это называется магнитным монополем, и у него есть несколько уникальных свойств, которые делают его особенным.

Параллели

Те, кто интересуется физикой, вероятно, уже знакомы с электрическим монополем electric , хотя вы можете знать его по более распространенному названию: электрический заряд.

Противоположные электрические заряды притягиваются, а подобные заряды отталкиваются благодаря взаимодействию электрических полей, которые определяются как изменяющиеся от положительного к отрицательному. Это несколько произвольные обозначения двух противоположных электрических зарядов.

Электрические монополи существуют в форме частиц с положительным или отрицательным электрическим зарядом, таких как протоны или электроны.

На первый взгляд магнетизм кажется чем-то похожим на электричество, поскольку существует магнитное поле с направлением, определенным как бегущее с севера на юг.

Однако аналогия не работает, когда мы пытаемся найти магнитный аналог электрического заряда. Хотя мы можем найти электрические монополи в виде заряженных частиц, мы никогда не наблюдали магнитных монополей.

Напротив, магниты существуют только в форме диполей с северным и южным концом. Когда стержневой магнит разделен на две части, вы не получите отдельную северную и южную части.Скорее вы получите два новых меньших магнита, каждый с северным и южным концом.

Даже если вы разделите этот магнит на отдельные частицы, вы все равно получите магнитный диполь.

Когда мы смотрим на магнетизм в мире, то, что мы видим, полностью согласуется с уравнениями Максвелла, которые описывают объединение теории электрического и магнитного поля в классический электромагнетизм.

Они были впервые опубликованы Джеймсом Максвеллом в 1861 и 1862 годах и до сих пор используются ежедневно на практическом уровне в инженерии, телекоммуникациях и медицине, и это лишь некоторые из них.

Но одно из этих уравнений — закон Гаусса для магнетизма — утверждает, что магнитных монополей не существует.

Магнетизм, который мы наблюдаем изо дня в день, можно объяснить движением электрических зарядов. Когда электрически заряженная частица движется по пути, например, электрон, движущийся по проводу, это электрический ток. Это индуцирует магнитное поле, которое вращается вокруг направления тока.

Вторая причина магнетизма связана со свойством квантовой механики, называемым «спином».Это можно представить как электрически заряженную частицу, вращающуюся на оси, а не движущуюся в определенном направлении.

Это создает угловой момент в частице, заставляя электрон действовать как магнитный диполь (то есть крошечный стержневой магнит). Это означает, что мы можем описывать магнитные явления без необходимости использования магнитных монополей.

Но то, что наши классические электромагнитные теории согласуются с нашими наблюдениями, не означает, что магнитных монополей не существует.Скорее, это просто означает, что нигде нет магнитных монополей, которые мы наблюдали .

Один-единственный магнитный монополь может где-то прятаться. Кредит: ЦЕРН / MoEDAL

Как только мы начнем копаться в темных глубинах теории, мы начнем находить некоторые соблазнительные аргументы в пользу их присутствия во Вселенной.

Соблазн двойственности

В 1894 году лауреат Нобелевской премии Пьер Кюри обсуждал возможность существования такой неоткрытой частицы и не нашел никаких оснований сбрасывать со счетов ее существование.

Позже, в 1931 году, лауреат Нобелевской премии Поль Дирак показал, что когда уравнения Максвелла расширяются и включают магнитный монополь, электрический заряд может существовать только в дискретных значениях.

Это «квантование» электрического заряда — одно из требований квантовой механики. Таким образом, работа Дирака была направлена ​​на то, чтобы показать, что классический электромагнетизм и квантовая электродинамика в этом смысле являются совместимыми теориями.

Наконец, есть несколько физиков, которые могут устоять перед красотой симметрии в природе.А поскольку существование магнитного монополя подразумевает двойственность между электричеством и магнетизмом, теория, предполагающая наличие магнитных монополей, становится почти опьяняющей.

Двойственность в физическом смысле — это когда две разные теории могут быть связаны таким образом, что одна система аналогична другой.

Если бы электрическая сила была полностью аналогична магнитной силе, то, возможно, другие силы также были бы аналогичны друг другу. Возможно, тогда появится какой-то способ связать сильное ядерное взаимодействие со слабым ядерным взаимодействием, проложив путь к великому объединению всех физических сил.

Конечно, то, что теория обладает привлекательной симметрией, не делает ее правильной.

Монопольный мираж

Ученые вплотную подошли к тому, чтобы увидеть магнитные монополи, создавая подобные монополям структуры в лаборатории, используя сложные схемы магнитных полей в конденсатах Бозе-Эйнштейна и сверхтекучих жидкостях.

Но, хотя они показывают, что магнитный монополь не является физически невозможным, это не то же самое, что обнаружить его в природе.

В экспериментах по физике элементарных частиц иногда объявлялись возможные кандидаты в монополи, но до сих пор ни одно из этих открытий не было доказано как неопровержимые или воспроизводимые.

Детектор монополей и экзотики на Большом адронном коллайдере (MoEDAL) начал поиски, но на сегодняшний день не обнаружил монополей.

В результате энтузиасты магнитных монополей обратили внимание на то, чтобы объяснить, почему мы, , не видели никаких монополей.

Если нынешнему поколению ускорителей частиц не удалось обнаружить магнитный монополь, возможно, масса монополя просто больше, чем мы можем создать в настоящее время.

Используя теорию, мы можем оценить максимально возможную массу магнитного монополя.Учитывая то, что мы уже знаем о структуре Вселенной, мы можем оценить, что масса монополя может достигать огромных 10 ¹⁴ ТэВ.

Объект такого размера мог образоваться только на самых ранних стадиях существования Вселенной после Большого взрыва, до начала космической инфляции. Если Вселенная остыла до такой степени, что создание монополей было энергетически невозможно до расширения, возможно, монополи существуют. Лишь немногие и далеко не все. Хитрость в том, чтобы его найти.

---

Физики открывают квантово-механические монополи

---

Эта история любезно опубликована The Conversation (по лицензии Creative Commons-Attribution / Без производных).

Ссылка : Таинственный пропавший магнитный монополь (9 августа 2016 г.) получено 21 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2016-08-mystery-magnet-monopole.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Неизменная тайна обнаружения единственного магнитного монополя во Вселенной

Электромагнитные поля, генерируемые положительными и отрицательными электрическими зарядами, как при… [+] покой и движение (вверху), а также те, которые теоретически были бы созданы магнитными монополями (внизу), если бы они существовали.

Пользователь Wikimedia Commons Maschen

Представьте, что вы ученый, который рискует спроектировать и построить эксперимент, который, как все ожидают, не даст абсолютно ничего увидеть. Вы инвестируете в физику на периферии: ищете признак маловероятной, но теоретически не невозможной частицы, которую раньше никогда не видели. Несколько ученых на протяжении многих десятилетий предполагали, что такая частица потенциально может существовать, но все попытки обнаружить ее существование — как прямые, так и косвенные — ни к чему не привели.

В один из выходных вы устраиваете свой длительный эксперимент и решаете не приходить в лабораторию в это воскресенье. Вернувшись в понедельник, вы обнаружите, что произошло немыслимое: ваш детектор зарегистрировал сигнал, не похожий ни на один из тех, что вы когда-либо видели. Впервые (и единственный) вы увидели свидетельство существования совершенно новой частицы. Это не просто сценарий мечты; На самом деле это произошло еще в День святого Валентина в 1982 году.

Силовые линии магнитного поля, представленные стержневым магнитом: магнитный диполь с северным и южным полюсами… [+] связаны вместе. Эти постоянные магниты остаются намагниченными даже после снятия любых внешних магнитных полей.

Ньютон Генри Блэк, Харви Н. Дэвис (1913) Практическая физика

В науке электромагнетизма есть два типа зарядов: положительный и отрицательный. Эти фундаментальные заряды имеют только электрическую природу и не имеют собственного магнитного заряда. Конечно, у вас могут быть северный и южный магнитные полюса, но никогда один без другого. Тот факт, что электромагнетизм не является симметричной теорией (что есть электрические заряды, но не магнитные), является фундаментальной истиной наших законов природы.

Следовательно, единственный способ генерировать магнитные поля — это иметь движущиеся электрические заряды: электрические токи. Эти токи могут генерироваться на атомном или молекулярном уровне, когда отдельные электроны вращаются внутри гораздо более крупных макроскопических структур. Даже постоянные магниты, о которых вы знаете, не могут отделять северный или южный полюса; они могут существовать только в тандеме.

Магнитные струны могут быть созданы в определенных лабораторных условиях, когда два конца… [+] струны, соответствующие северному и южному полюсам, могут быть хорошо разделены на очень большие расстояния. Если один полюс держать относительно изолированным от остальных, он может создать квазичастицу, которая служит аналогом магнитного монополя.

D. J. P. Morris et al. (2009), Science Vol. 326, 5951, стр. 411-414

В природе совместное нахождение северного и южного полюсов является непреложным свойством магнетизма. Магниты существуют, но только в виде магнитных диполей.Сам по себе северный или южный магнитный полюс не существует: магнитный монополь. Если мы хотим создать его, есть только два способа сделать это. (И первый способ предполагает небольшое жульничество.)

1.) Мы можем создавать квазичастицы, похожие на магнитные монополи. В некоторых приложениях физики конденсированного состояния можно создавать магнитные струны, где длинные и тонкие магниты создаются на решетке, что позволяет разделять северный и южный полюса на большие расстояния.Если вы можете разделить их на достаточно большие расстояния, когда вы посмотрите на свою систему, окажется, что существует только один полюс. Другой полюс, однако, все еще там; он просто хорошо отделен и изолирован от измеряемого полюса.

Можно записать множество уравнений, таких как уравнения Максвелла, которые описывают … [+] Вселенную. Мы можем записать их разными способами, но только сравнивая их предсказания с физическими наблюдениями, мы можем сделать какой-либо вывод об их достоверности.Вот почему версия уравнений Максвелла с магнитными монополями (справа) не соответствует действительности, а версия без (слева) — нет.

Эд Мердок

2.) Мы могли бы изменить теорию электромагнетизма, включив в нее магнитные монополи. Это буквально теоретическое тщеславие: изменить известные законы физики, чтобы создать новый тип материи. Модификация проста: вместо электрического заряда выдвинуть гипотезу о существовании нового типа заряда — магнитного заряда.Если вы добавите это к своей теории, весь электромагнетизм станет симметричным.

• Электрические заряды существуют в положительном и отрицательном вариантах; магнитные заряды существуют в северной и южной версиях.
• Движущиеся электрические заряды создают магнитные поля; движущиеся магнитные заряды создают электрические поля.
• Изменяющиеся магнитные поля вызывают перемещение электрических зарядов; теперь изменение электрических полей приведет к перемещению магнитных зарядов.

Впервые это было использовано Дираком в 1930-х годах, но никто не воспринял это всерьез из-за отсутствия доказательств.

Идея объединения утверждает, что все три силы Стандартной модели и, возможно, даже гравитация … [+] при более высоких энергиях, объединены в единую структуру. Эта мощная идея привела к большому количеству исследований, но является полностью недоказанной гипотезой. Тем не менее, многие физики убеждены, что это важный подход к пониманию природы, и он привел к некоторым интересным, общим и проверяемым предсказаниям.

© ABCC Australia 2015 www.new-physics.com

Однако в 1970-х годах возродился интерес к теориям, которые были более симметричными, чем Вселенная, которую мы знаем и наблюдаем сегодня. Теории Великого Объединения вошли в моду, поскольку электрослабое объединение заставило многих предположить, что, возможно, при еще более высоких энергиях могут существовать дополнительные типы объединений.

Если бы силы и взаимодействия были более унифицированными в прошлом, это означало бы существование новой физики, выходящей за рамки того, что в настоящее время известно в Стандартной модели.Нарушение этой симметрии с целью получить Вселенную с низкой энергией, которую мы имеем сегодня, приводит к предсказанию дополнительных полей и новых массивных частиц. Во многих воплощениях магнитные монополи (разновидности ‘т Хофта / Полякова) являются одними из этих новых предсказаний.

Концепция магнитного монополя, излучающего линии магнитного поля так же, как изолированный электрический … [+] заряд излучает линии электрического поля. В отличие от магнитных диполей, здесь есть только один изолированный источник.

BPS-состояний на фоне омега и интегрируемости — Булычева, Ксения и др. JHEP 1210 (2012) 116

Всякий раз, когда у вас есть интересное, убедительное теоретическое предсказание, вы хотите найти способ проверить его. Если бы Вселенную пронизывали магнитные монополи, есть шанс, что мы могли бы обнаружить один из них, если бы он прошел через петлю из проволоки. При пропускании магнита через проводящую петлю будет регистрироваться сигнал: положительный с определенной величиной, когда первый полюс проходит через него, и затем отрицательный с такой же величиной, когда проходит второй полюс.

Если бы магнитные монополи были реальными, вы бы получили сигнал только с одним направлением: положительным или отрицательным, с последующим отказом вернуться к исходной нулевой линии. На протяжении 1970-х годов несколько исследователей разрабатывали и проводили эксперименты именно такого типа. Безусловно, самый известный из них был составлен физиком Бласом Кабрерой.

Хотя первоначальные эксперименты по поиску магнитных монополей были примитивными по сравнению с … [+] детекторами, такими как IceCube или MoEDAL LHC, которые также предназначены для обнаружения экзотических частиц, таких как магнитные монополи, многие из основных элементов конструкции универсальны.

CERN / MoEDAL Сотрудничество

Кабрера разработал свой эксперимент для работы при низких криогенных температурах, сделав не одну петлю из проволоки, а катушку, содержащую восемь петель. Катушка была разработана и оптимизирована для измерения магнитного потока, поэтому, если через нее проходит монополь в один магнетон (теоретическая единица квантованного магнетизма), вы увидите сигнал ровно в 8 магнетонов.

Если, с другой стороны, вы пропустите через него дипольный магнит, вы получите сигнал +8, за которым следует один из -8 (или -8, за которым следует +8), так что вы сможете различить монополь и диполь.Если бы сигнал был чем-то другим, кроме 8 магнетонов (или кратным 8), вы бы знали, что не видите магнитных монополей.

До события 14 февраля 1982 года детектор Кабреры зарегистрировал только 2… [+] магнетона или меньше. Одно событие с 8 магнетонами было беспрецедентным и соответствовало магнитному монополю предсказанного (дираковского) заряда, проходящего через него.

Кабрера Б. (1982). Первые результаты сверхпроводящего детектора для движущихся магнитных монополей, Physical Review Letters, 48 ​​(20) 1378–1381

Итак, он построил это устройство и стал ждать.Устройство было несовершенным, и иногда одна из петель посылала сигнал, давая ложное срабатывание +1 или -1 магнетон. В еще более редких случаях две петли посылали сигнал одновременно, давая ложный сигнал +2 или -2. Помните, что вам понадобится сигнал 8 (и ровно 8), чтобы он был магнитным монополем.

Аппарат так и не обнаружил троих и более.

Этот эксперимент длился несколько месяцев безуспешно, и в конечном итоге его проверяли лишь несколько раз в день.В феврале 1982 года День святого Валентина выпал на воскресенье, и Кабрера не пришел в лабораторию. Когда он вернулся в офис 15-го числа, он неожиданно обнаружил, что компьютер и устройство записали ровно 8 магнетонов незадолго до 14:00 14 февраля 1982 года.

В 1982 году под руководством Бласа Кабреры эксперимент с восемью витками провода … [+] обнаружил изменение потока восьми магнетонов: признаки магнитного монополя. К сожалению, во время обнаружения никого не было, и никто никогда не воспроизводил этот результат и не обнаруживал второй монополь.

Кабрера Б. (1982). Первые результаты сверхпроводящего детектора для движущихся магнитных монополей, Physical Review Letters, 48 ​​(20) 1378–1381

Открытие прогремело по сообществу, вызвав огромный интерес. Были построены огромные устройства с большей площадью поверхности и большим количеством петель, и многие новые группы присоединились к поиску магнитных монополей. Несмотря на большие вложения ресурсов, другого монополя так и не увидели. Стивен Вайнберг, знаменитый лауреат Нобелевской премии и разработчик Стандартной модели, написал Кабрере стихотворение в следующий День святого Валентина:

Розы красные,
Фиалки синие,
Пора для монополя
номер ДВА!

Но монополя два так и не вышли.Спустя 37 лет после первого (и единственного) обнаружения поиск магнитных монополей в значительной степени был прекращен, а эксперимент Антарктиды IceCube обеспечивает самые строгие ограничения.

Экспериментальные пределы существования магнитных монополей. Самая нижняя линия на графике представляет … [+] самый строгий предел, взятый из эксперимента IceCube. Второй магнитный монополь, за те 37 лет, которые мы искали, так и не был найден.

Кац, У.F. et al. Prog.Part.Nucl.Phys. 67 (2012) 651–704

Возможно, мы никогда не узнаем, что происходило внутри этого детектора в День святого Валентина 1982 года. Был ли действительно магнитный монополь, который прошел через него, где мы были достаточно удачливы, чтобы найти его, но никогда не видели другого? Это был беспрецедентный сбой в оборудовании? Самый необычный космический луч с необъяснимыми до сих пор свойствами? Или, может быть, розыгрыш студента, соперника или профессионального саботажника?

В экспериментальной науке самое важное — это иметь возможность воспроизвести свои результаты, а второе обнаружение монополя так и не состоялось.Какой бы красивой ни была симметричная Вселенная, это просто не похоже на ту Вселенную, которая у нас есть. Никто не знает, что именно заставило нас поверить в то, что мы обнаружили магнитный монополь, но без повторного подтверждения у нас нет другого выбора, кроме как сделать вывод, что это неправда. Насколько мы можем судить, магнитных монополей не существует.

Электромагнетизм

Отражение — это резкое изменение направления распространения волна, которая ударяет по границе между различными средами.По меньшей мере часть возмущения набегающей волны остается в той же среде. Регулярное отражение, которое следует простому закону, происходит на плоскости границы. Угол между направлением движения встречной волны и перпендикуляра к отражающей поверхности (угол падения) равен углу между направлением движения отраженная волна и перпендикуляр (угол отражения). Отражение на грубых или неровных границах диффузное. В отражательная способность материала поверхности — это доля энергии встречная волна, которая отражается им.

Рефракция — это изменение направления волны, проходящей от одного средний к другому, вызванный его изменением скорости. Например, волны на большой глубине путешествовать быстрее, чем на мелководье; если океанская волна подходит к пляжу наискосок, часть волны дальше от берега пляж будет двигаться быстрее, чем ближе, и волна будет повернуться, пока он не начнет двигаться в направлении, перпендикулярном береговая линия. Скорость звуковых волн в теплом воздухе больше, чем в холодно; ночью воздух охлаждается на поверхности озера, и любой звук который движется вверх, преломляется вниз более высокими слоями воздуха которые все еще остаются теплыми.Таким образом, звуки, такие как голоса и музыка, могут ночью будет слышно на воде гораздо дальше, чем днем.

Электромагнитные волны, составляющие свет, преломляются, когда пересекает границу от одной прозрачной среды к другой, потому что их изменения скорости. Прямая палка кажется изогнутой, когда погружен в воду и рассматривается под углом к ​​поверхности, кроме 90. Луч света одной длины волны или цвета (разного длины волн кажутся человеческому глазу разными цветами), попутно от воздуха к стеклу преломляется или изгибается на величину, зависящую от его скорость в воздухе и в стекле, две скорости в зависимости от длина волны.Луч солнечного света состоит из многих длин волн, которые в сочетание кажется бесцветным; при входе в стеклянную призму различные преломления разных длин волн разносят их, как в радуге.

Дифракция — это распространение волн вокруг препятствий. Дифракция происходит со звуком; с электромагнитным излучением, например свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи; и с очень маленькими движущимися частицами такие как атомы, нейтроны и электроны, которые имеют волнообразную форму характеристики. Одним из следствий дифракции является то, что резкие тени становятся не производится.Явление является результатом интерференции (т. Е. когда волны накладываются друг на друга, они могут усиливать или нейтрализовать друг друга out) и наиболее ярко проявляется, когда длина волны излучения равна сопоставимы с линейными размерами препятствия. Когда звук различные длины волн или частот излучаются из громкоговорителя, сам громкоговоритель действует как препятствие и отбрасывает тень сзади так что здесь дифрагированы только более длинные басовые ноты. Когда луч света падает на край объекта, он не будет продолжаться в прямая линия, но будет слегка изогнута при контакте, вызывая размытие по краю тени объекта; величина изгиба будет пропорционален длине волны.Когда поток быстрых частицы сталкиваются с атомами кристалла, их траектории искривляются в обычный узор, который можно записать, направив дифрагированный луч на фотопленку.

ATLAS представляет новый результат в поисках загадочных магнитных монополей

Наблюдаемые верхние пределы сечения с доверительной вероятностью 95% для образования монополей со спином 0 (слева) и спином 1/2 (справа) Дрелла – Яна в зависимости от массы. (Изображение: ATLAS Collaboration / CERN)

Дипольные магниты, вероятно, самый известный источник магнитных полей.Они состоят из северного и южного полюсов; в то время как один конец притягивает магнитом, противоположный — отталкивает. Если разрезать магнит пополам, у вас останутся два магнита, каждый со своим северным и южным полюсами. Это очевидное отсутствие изолированного магнитного полюса или «магнитного монополя» озадачило физиков более века. Казалось бы, вполне естественно, что эта частица присутствует в нашей Вселенной; Уравнения Максвелла отражали бы полную симметрию между электричеством и магнетизмом, если бы наблюдались частицы с магнитным зарядом.Пока остается загадкой: хотя каждая известная частица в нашей Вселенной либо электрически заряжена, либо нейтральна, ни одна из них не обладает магнитным зарядом.

В 1931 году Поль Дирак был первым, кто официально предложил теорию магнитных монополей, которые могли бы возникать в условиях, подобных тем, которые были обнаружены на LHC. Ученые из коллаборации ATLAS разработали специальный метод поиска свидетельств существования таких частиц. Согласно Дираку, магнитные монополи с фундаментальным магнитным зарядом (1 g _D ) ионизируют вещество так же, как и объект с высоким электрическим зарядом (HECO).Большие запасы энергии, пропорциональные квадрату заряда, останутся в детекторе ATLAS, через который проходят эти частицы.

Таким образом, поиск магнитных монополей с такими характеристиками идет рука об руку с поиском стабильных частиц, во много раз (более 20) превышающих заряд электрона. Физики ATLAS выбирают события столкновения с характеристиками, ожидаемыми от HECO или магнитных монополей из данных, собранных отслеживающим детектором и калориметрическими системами ATLAS для дальнейшего анализа.Эти потенциальные события идентифицируются путем различения областей с большими и узкими выделениями энергии в калориметре и соответствующими следами высокой ионизации в трекере переходного излучения.

---

Ученые из коллаборации ATLAS разработали специальный метод поиска частиц с фундаментальным магнитным зарядом («магнитные монополи»).

---

На прошлой неделе коллаборация ATLAS опубликовала первые результаты поиска магнитных монополей и HECO в протон-протонных столкновениях с энергией 13 ТэВ.Учитывая, что не было обнаружено никаких доказательств существования магнитных монополей или HECO, были установлены ограничения на частицы со спином 0 и 1/2, предполагая механизм образования электромагнитных пар Дрелла-Яна.

На сегодняшний день поиск является наиболее чувствительным исследованием магнитных монополей в диапазоне от 1 до 2 г _D магнитного заряда, превосходя результаты специального эксперимента MoEDAL, который, тем не менее, исследует более широкий диапазон. Исследование также улучшает, примерно в пять раз, предыдущие ограничения на прямое производство магнитных монополей с магнитным зарядом 1 г _D (см. Рисунок).Более того, это первый поиск по изучению HECO с зарядами, превышающими заряд электрона более чем в 60 раз, тем самым превышая диапазоны, охваченные предыдущими исследованиями CMS и ATLAS.

ATLAS еще раз доказал, что является мощным инструментом для научных исследований. Благодаря его универсальным возможностям обнаружения физики смогут продолжить охоту за экзотическими частицами, такими как магнитный монополь.

---

Ссылки

Магнитные монополи, открытые учеными LCN

Четыре статьи — две опубликованы на этой неделе и две в архиве препринтов — независимо друг от друга представляют доказательства того, что магнитные монополи действительно существуют в природе.Две из этих статей написаны учеными Лондонского центра нанотехнологий (LCN).

Найти магнитный монополь — это Святой Грааль физики. Магнитный монополь — это магнитная версия заряженной частицы, такой как электрон, и в течение последних 70 лет физики полагали, что она может существовать где-то во Вселенной. Монополи, обнаруженные на этой неделе, не являются Святым Граалем, это еще одна лучшая вещь. Вместо того, чтобы существовать по всей Вселенной, они существуют только в особом типе материала, называемом «спиновым льдом».Их можно представить как северный и южный полюса магнитов, но они могут свободно плавать внутри материала. Однако тот, кто живет внутри глыбы спинового льда, может подумать, что это именно те магнитные монополи, которые давно искали физики.

Первая статья в LCN, написанная Феннеллом и его коллегами, является результатом сотрудничества LCN, Института Лауэ Ланжевена (ILL), Гренобль, и Оксфордского университета. Он использует специальную технику рассеяния нейтронов для изображения мира, в котором обитают монополи.Это стало возможным благодаря недавним усовершенствованиям экспериментальных инструментов в ILL, частично финансируемых Великобританией. Вторая статья LCN профессора Стива Брамвелла и его коллег является результатом сотрудничества LCN, ISIS и Оксфорда. ISIS — еще одна британская установка, которая в данном случае использовалась для производства субатомных частиц, называемых мюонами, которые затем использовались в качестве зонда для монополей. В этом эксперименте заряд монополя был непосредственно измерен и оказался равным заряду, предсказанному теорией.

Свидетельства наличия магнитных монополей в спиновом льду — в нижнем ряду показаны предсказанные данные по рассеянию нейтронов, а выше — реальные данные, собранные в ILL с использованием экспериментального оборудования, которое недавно было улучшено за счет финансирования Великобритании (так называемая программа Millenium).

«Эти недавние статьи предоставляют неопровержимые доказательства существования магнитных монополей в спиновом льду, — говорит профессор Стив Брамвелл из LCN, — в частности, мы измерили монопольный заряд и наблюдали монопольные токи, аналогичные электричеству. Мы также использовали нейтроны для измерения длины так называемых струн Дирака, которые проходят между северным и южным монополями. ”

Исследование показывает, как определенные реальные материалы, в данном случае спиновой лед, создают внутри себя вещи, напоминающие основные частицы, из которых состоит Вселенная.«Самое удивительное в монополях спинового льда, — продолжает профессор Брамвелл, — это то, насколько они совершенны: они действительно выглядят точно так же, как те монополи, которые, как ожидается, существуют где-то во Вселенной. Почему природа должна воспроизводить мини-вселенную внутри материала, мы пока не знаем ».

Помимо того, что монополи имеют значение для фундаментальной физики, они могут быть использованы в технологии так же, как электрические заряды. «До появления магнитной версии электричества еще далеко, — говорит профессор Брамвелл, — но эти результаты — важный первый шаг».

Похожие статьи

.