В чем разница между магнитным монополем и электрическим монополем в отношении их полей?

Различия между магнитными монополюсами и электрическими монополюсами в терминах полей

Магнитные монополюсы и электрические монополюсы - это два важных понятия в электромагнетизме, которые демонстрируют значительные различия в своих полевых свойствах и поведении. Ниже приведено подробное сравнение этих двух типов монополюсов с точки зрения их полей:

1. Определения и физический фон

Электрический монополюс: Электрический монополюс представляет собой изолированную точечную заряд, положительный или отрицательный. Согласно закону Кулона, электрическое поле, создаваемое электрическим монополюсом, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния (1/r²) и направлено радиально наружу (или внутрь) от заряда.

Магнитный монополюс: Магнитный монополюс - это гипотетический изолированный магнитный заряд, подобный концепции электрического монополюса. Однако магнитные монополюсы не были обнаружены в природе. Все текущие магнитные явления связаны с диполями (парой северного и южного полюсов). Если бы магнитные монополюсы существовали, они создавали бы магнитное поле, аналогичное электрическому монополюсу, но это остается теоретическим предположением.

2. Поведение поля

Электрический монополюс

Распределение электрического поля: Электрическое поле E, создаваемое электрическим монополюсом, сферически симметрично и следует закону Кулона:

где $\mathrm{<br>}$q - заряд, ϵ0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, $\mathrm{<br>}$r - расстояние от заряда до точки наблюдения, а r^ - радиальный единичный вектор.

• Распределение электрического потенциала: Электрический потенциал   $\mathrm{<br>\; }$V электрического монополюса линейно убывает с расстоянием:

Магнитный монополюс (гипотетический)

• Распределение магнитного поля: Если бы магнитные монополюсы существовали, они создавали бы сферически симметричное магнитное поле   $\mathrm{<br>\; }$B, следуя форме, аналогичной закону Кулона:

  

• где   $\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">g\; -\; магнитный\; заряд, </span>\; }$μ0 - магнитная проницаемость вакуума,   $\mathrm{<br>\; }$r - расстояние от магнитного монополюса до точки наблюдения, а r^ - радиальный единичный вектор.

• Распределение магнитного скалярного потенциала: Магнитный скалярный потенциал   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$ϕm также линейно убывает с расстоянием:

  

3. Геометрические характеристики силовых линий

• Линии электрического поля: Линии электрического поля электрического монополюса исходят из положительного заряда (или сходятся к отрицательному заряду) и распространяются до бесконечности. Эти линии дивергентны, что указывает на то, что электрическое поле излучается наружу.

• Линии магнитного поля: Линии магнитного поля магнитного монополюса также исходили бы из монополюса (или сходились бы к нему) и распространялись бы до бесконечности. Эти линии также дивергентны, что указывает на то, что магнитное поле излучается наружу.

4. Высшие порядки мультипольного разложения

• Электрические мультиполюсы: Помимо электрических монополюсов, могут существовать электрические диполи, квадруполи и т.д. Электрический диполь состоит из двух равных и противоположных зарядов, и его распределение электрического поля отличается от распределения электрического монополюса, демонстрируя более сложную симметрию и характер затухания.

• Магнитные мультиполюсы: Текущие магнитные явления в основном вызваны магнитными диполями, такими как бар-магниты или токовые петли. Распределение магнитного поля магнитного диполя подобно распределению электрического диполя, но в практических приложениях обычно обсуждают только магнитные диполи, без высших порядков магнитных мультиполюсов.

5. Проявление в уравнениях Максвелла

• Электрический монополюс: В уравнениях Максвелла плотность заряда   $\mathrm{<br>\; }$ρ появляется в законе Гаусса для электричества:

• Это указывает на то, что наличие электрического монополюса приводит к дивергенции электрического поля.

• Магнитный монополюс: В стандартных уравнениях Максвелла нет плотности магнитного заряда   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$ρm, поэтому закон Гаусса для магнетизма выглядит так:

Это означает, что в классической электродинамике нет изолированных магнитных монополюсов. Однако, если бы магнитные монополюсы были введены, это уравнение стало бы таким:

Это позволяет существование магнитных монополюсов.

6. Квантовые эффекты

• Электрический монополюс: Электрические монополюсы существуют в реальности, и их электрические поля можно описать с помощью квантовой электродинамики (КЭД).

• Магнитный монополюс: Хотя магнитные монополюсы не были обнаружены, они имеют значительные теоретические импликации в квантовой механике. Например, Дирак предложил, что существование магнитных монополюсов привело бы к квантованию как электрических, так и магнитных зарядов и повлияло бы на фазу волновой функции заряженных частиц.

Заключение

• Электрический монополюс: Известно, что он существует, создает сферически симметричные электрические поля, которые затухают обратно пропорционально квадрату расстояния.

• Магнитный монополюс: Гипотетический, теоретически должен создавать схожее сферически симметричное магнитное поле, которое затухает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Основное различие заключается в том, что электрические монополюсы - это реальное явление, тогда как магнитные монополюсы остаются теоретическим предположением.