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1、第26卷第7期大学物理Vol.26No.72007年7月COLLEGEPHYSICSJuly2007论单极感应现象范淑华,何艳,刘琳霞(华中科技大学物理系,湖北武汉430074)摘要:简单地回顾了单极感应现象的历史现状,详细地分析了被认为是判定性的Bartlett等人的单极感应实验,发现该实验使用铁管进行磁屏蔽是不合理的,指出其实验结论是值得怀疑的,并给出可能的改进方法.因此,单极感应现象理论解释问题仍然没有解决.关键词:单极感应;运动磁感线与不运动磁感线理论;磁屏蔽中图分类号:O44113文献标识码:A文章编号:1000-0712(2007)07-0015-03当一个轴对称的磁体绕其对
2、称轴以恒定角速度地接受.X转动时,在与该磁体的一个磁极和赤道平面滑动最近,一个地球物理学研究小组发现,每经过一接触的静止导线回路中就有稳定的电流流过(如图年的时间,地球的内核要比地球的其他部分多旋转[4]1所示).这一电磁现象称为0.3b~0.5b.若在地面检测到地磁场相对于地表/单极感应0.怎样解释单极感面的运动,则可以帮助科学家解释地球磁场的起源应现象?因为转动磁体周围的问题.地球可以近似看作旋转的磁体,而关于旋转磁场不随时间变化,那么磁体磁体的单极感应现象的理论解释问题也有必要进一转动时磁感线是否随着磁体一步研究.下面我们对Bartlett等人的单极感应实验起转动呢?对此主要有两种
3、解进行深入分析,以便加深对单极感应现象的认识.[1]释:运动的磁感线假设(简称1Bartlett等人实验的介绍为M理论)和不运动的磁感线假设(简称为N理论).M理论假设M理论成立,那么运动的磁感线将会在磁图1单极感应认为磁感线随着磁体一起转动,体周围产生一个电场:现象原理图磁感线切割相对于实验室静止vE=-@B=-(1/c)(X@r)@B(1)的导线产生电动势;N理论则认为磁感线不随磁体一c起转动,是转动的导体切割磁感线产生电动势.从理式中X是磁体转动的角速度.Bartlett等人引入一论上看,这两种解释在逻辑上都可能是正确的,究竟个系数kc,它等于磁感线与磁铁运动频率之比.于哪一个正确
4、必须通过实验的检验才能判定.是,M理论对应于kc=1的情况,而N理论则对应为了从实验上解决单极感应现象理论解释的疑于kc=0的情形.方程(1)可变为难,20世纪初实验物理学家们进行了大量的实验检E=-(kc/c)(X@r)@B验,其中最为典型的是Kennard、Barnett、Pegram等转动磁体在自由空间中的远电场可以等效为电荷密人的一系列的开环电路实验.由于狭义相对论、量度3子学说、玻尔理论的出现吸引了物理学家们的注意Qeff=(kcmX/c)[2D(r)/3-(1/Pr)P2(cosH)]力,从而平息了M理论和N理论之间的争论.当时的场.式中第一项可等效为一个孤立的电荷源Qeff
5、[1]Kennard的N理论的观点被多数物理学家接受.=2kcmX/3c,第二项表示在远处迅速减小为零的后来Djuricc的分析却得出他们的实验不能在这两个四极电荷密度.因此,如果能检测到电荷Qeff就可[2]假设之间做出决定性的判断.然而,在1977年证明M理论是成立的.[3]Bartlett等人的实验之后,N理论被人们更为普遍根据该理论,1977年Bartlett等人设计了如图2收稿日期:2006-06-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(10121503)作者简介:范淑华(1954)),女,湖北武汉人,华中科技大学教授,主要从事引力实验和精密测量方面的研究工作.16大学物理第2
6、6卷[3]所示的实验装置.利用一个处在两个同心导体球屏蔽体只是使磁场的大小发生了衰减,但是转动磁壳中心且可以绕自身对称轴转动的螺线管作为磁体,体产生的磁场以及交变磁场的屏蔽问题比较复杂,导体球壳放在一个接地的矩形铜丝网笼中.螺线管并不能简单的看成屏蔽体使交变磁场的大小发生衰转动时将会在铁球壳上产生感生电荷Qeff,在铁球壳减,经过铁管屏蔽后,无法得知外界磁场的性质.如与铜丝网笼之间会形成一个电势差U=Qeff/C=2kc果屏蔽后磁场的性质发生了改变,则此时即使检测mX/3cC,其中C是它们之间的电容量.实验中用精到铁管外的磁场不转动也无法说明铁管内的磁场是度高达1nV的锁相放大器作为电压
7、探测器,测得U否转动.如果屏蔽后磁场的性质与铁管内的相同,-4U10nV,给出kc<1.4@10,远小于1.因此,则铁管只是使这两部分磁场的大小发生衰减.下面Bartlett等人的实验认为N理论是正确的.考虑屏蔽后磁场的性质不变的情况,近似地计算此时外界磁场的大小,从而估算待测效应.通常屏蔽[5]体的屏蔽效率S被定义为:S=B0/Bs,B0和Bs分别为屏蔽区内给定点在屏蔽前和屏蔽后的场强大小.对于屏蔽体为圆柱形时,径向的屏蔽效能Sr
