Яка різниця між магнітним монополем та електричним монополем у відношенні до їх полів

Різниця між магнітними монополями та електричними монополями в термінах полів

Магнітні монополі та електричні монополі — це два важливі поняття в електромагнетизмі, які мають значні відмінності у своїх властивостях і поведінці полів. Нижче наведено детальне порівняння цих двох типів монополів з точки зору їхніх полів:

1. Визначення та фізичний фон

Електричний монополь: Електричний монополь — це ізольований точковий заряд, додатний або від'ємний. За законом Кулона, електричне поле, створене електричним монополем, зменшується з квадратом відстані (1/r2) і вказує радіально на зовні (або внутрішньо) від заряду.

Магнітний монополь: Магнітний монополь — це гіпотетичний ізольований магнітний заряд, схожий на поняття електричного монополя. Однак, магнітні монополі не були спостережені в природі. Поточні магнітні явища виключно обумовлені диполями (парою північних і південних полюсів). Якби магнітні монополі існували, вони б створювали магнітне поле, схоже на електричне, але це залишається теоретичним припущенням.

2. Поведінка поля

Електричний монополь

Розподіл електричного поля: Електричне поле E, створене електричним монополем, є сферично симетричним і відповідає закону Кулона:

де $\mathrm{<br>}$q — це заряд, ε0 — це вакуумна проникність, $\mathrm{<br>}$r — відстань від заряду до точки спостереження, а r^ — радіальний одиничний вектор.

• Розподіл електричного потенціалу: Електричний потенціал   $\mathrm{<br>\; }$V електричного монополя лінійно зменшується з відстанню:

Магнітний монополь (гіпотетичний)

• Розподіл магнітного поля: Якби магнітні монополі існували, вони б створювали подібне сферично симетричне магнітне поле   $\mathrm{<br>\; }$B, яке відповідало б формі, аналогічній закону Кулона:

  

• де   $\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">g\; —\; це\; магнітний\; заряд, </span>\; }$μ0 — це вакуумна пермеабельність,   $\mathrm{<br>\; }$r — відстань від магнітного монополя до точки спостереження, а r^ — радіальний одиничний вектор.

• Розподіл скалярного магнітного потенціалу: Скалярний магнітний потенціал   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$ϕm також лінійно зменшується з відстанню:

  

3. Геометричні характеристики ліній поля

• Лінії електричного поля: Лінії електричного поля електричного монополя виходять з додатного заряду (або збігаються на від'ємному заряді) і простягаються до нескінченності. Ці лінії є розходящимися, що свідчить про те, що електричне поле радіє на зовні.

• Лінії магнітного поля: Лінії магнітного поля магнітного монополя також виходять з монополя (або збігаються на ньому) і простягаються до нескінченності. Ці лінії також є розходящимися, що свідчить про те, що магнітне поле радіє на зовні.

4. Більш високі порядки мультипольних розкладів

• Електричні мультиполі: Окрім електричних монополів, можуть існувати електричні диполі, квадруполі тощо. Електричний диполь складається з двох рівних і протилежних зарядів, і його розподіл електричного поля відрізняється від електричного монополя, демонструючи більш складну симетрію та характер згасання.

• Магнітні мультиполі: Поточні магнітні явища в основному обумовлені магнітними диполями, такими як стрижневі магніти або контури струму. Розподіл магнітного поля магнітного диполя схожий на розподіл електричного диполя, але в практичних застосуваннях, ми зазвичай обговорюємо лише магнітні диполі без високих порядків магнітних мультиполів.

5. Виявлення в рівняннях Максвелла

• Електричний монополь: У рівняннях Максвелла, густина заряду   $\mathrm{<br>\; }$ρ з'являється в законі Гаусса для електрики:

• Це вказує на те, що наявність електричного монополя призводить до розходження електричного поля.

• Магнітний монополь: У стандартних рівняннях Максвелла немає магнітної густини заряду   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$ρm, тому закон Гаусса для магнетизму є:

Це означає, що в класичному електромагнетизмі немає ізольованих магнітних монополів. Проте, якби магнітні монополі були введено, це рівняння стало б:

Це дозволяє існування магнітних монополів.

6. Кvantovi ефекти

• Електричний монополь: Електричні монополі існують в реальному світі, і їх електричні поля можуть бути описані за допомогою квантової електродинаміки (QED).

• Магнітний монополь: Хоча магнітні монополі не були спостережені, вони мають значні теоретичні наслідки в квантовій механіці. Наприклад, Дірак запропонував, що наявність магнітних монополів призведе до квантування як електричних, так і магнітних зарядів, і вплине на фазу хвильової функції заряджених частинок.

Підсумок

• Електричний монополь: Відомий, створює сферично симетричні електричні поля, які зменшуються з квадратом відстані.

• Магнітний монополь: Гіпотетичний, теоретично повинен створювати подібне сферично симетричне магнітне поле, яке зменшується з квадратом відстані.

Основна відмінність полягає в тому, що електричні монополі є реальним явищем, тоді як магнітні монополі залишаються теоретичним припущенням.