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3.6.3带电粒子在磁场中的运动(续)

下一节:3.6.4霍尔效应

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3.6.3带电粒子在磁场中的运动(续)课程教案、知识点、字幕

讨论完带电粒子

在均匀磁场中的运动特点

下面我们来看

非均匀磁场的情况

一般来说

速度方向

和磁场方向不同的带电粒子

在非均匀磁场中

也要作螺旋运动

但半径和螺距

都是不断发生变化的

由于情况比较复杂

所以这里就不做定量分析了

只给大家介绍几个有趣的现象

以及应用

第一种就是磁镜

所谓磁镜

就是强度逐渐增加的磁场分布

这张图中显示的

是一个非均匀磁场

红色的磁感线在右侧密集

表示磁场

由左向右逐渐增强

当带电粒子具有一个分速度

向磁场较强处螺旋前进时

它的回旋半径将随着

磁感应强度的增加而减小

同时

由右手螺旋定则可以判断出

它受到的洛仑兹力

有一个和前进方向相反的分量

这一分量就可能

最终使粒子的前进速度减小到零

并继而沿反方向运动

就像光线射到镜面上反射回来一样

因而

强度逐渐增加的会聚磁场

能使带电粒子发生反射

这种磁场分布就被称为磁镜

如果把两个电流方向相同的线圈

并排放置

就可以产生一个

中间弱两端强的磁场

这一磁场区域的两端

就形成两个磁镜

平行于磁场方向的速度分量

不太大的带电粒子

就被约束在两个磁镜间的磁场内

来回运动而不能逃脱

这种能约束带电粒子的磁场分布

叫磁瓶

我们还是通过一个动画

来演示这一过程

可以看出

在中间弱两端强的磁场中

带电粒子仍然围绕磁感线

作螺旋运动

但是其半径和螺距不断发生变化

当粒子到达强磁区域

它沿磁场方向的速度分量减小

最终会向相反方向运动

粒子就被约束在

这个磁场区域内来回运动

这种用磁场约束带电粒子运动的技术

主要用在受控热核聚变反应装置中

称为磁约束

在受控热核聚变反应中

物质温度达到上亿摄氏度

原子都已经完全电离

形成了物质第四态

也就是等离子体

在这样的高温下

所有材料都不能以固态存在

因此几千万

几亿摄氏度高温的聚变物质

装在什么容器里

一直是进行受控热核聚变反应研究以来

困扰人们的难题

二十世纪五十年代初期

前苏联科学家

提出托卡马克的概念

这是一个

由封闭磁场组成的容器

像一个中空的面包圈

其中环向场线圈

产生环形磁场

约束等离子体

极向磁场

控制等离子体的位置和形状

这样极高温等离子状态的聚变物质

就被约束在环形容器里

以此来实现聚变反应

为了维持强大的约束磁场

电流的强度非常大

时间长了

线圈就要发热

为了解决这个问题

人们又把超导技术

引入到托卡马克装置中

由于热核聚变反应

类似于太阳发光发热过程

因此也被形象地称为人造太阳

值得一提的是

中国耗时8年

耗资2亿元人民币自主设计

自主建造而成的人造太阳EAST

于2006年9月28日

首次成功完成放电实验

成为世界上第一个建成并真正运行的

全超导非圆截面核聚变实验装置

到2013年

已成功开展了两轮物理实验

使我国的受控热核聚变反应研究

走到了世界前列

磁约束现象也存在于宇宙空间中

地球的磁场

就是一个不均匀磁场

从赤道到地磁的两极

磁场逐渐增强

因此地磁场是一个天然的磁捕集器

它能俘获

从外层空间入射的电子和质子

形成一个带电粒子区域

这一区域叫做范艾仑辐射带

是由美国物理学家詹姆斯•范•艾仑

发现并以他的名字命名的

范艾仑辐射带有两层

内层在地面上空

大约800千米到6000千米处

以高能质子居多

外层大约在

1万3000千米到6万千米处

以高能电子居多

范艾仑辐射带中的带电粒子

在洛仑兹力的作用下

围绕地磁场的磁感线作螺旋运动

在靠近地磁两极处

被反射回来

这样

带电粒子就在范艾仑带中

来回运动

直到由于粒子间的碰撞

而被逐出为止

辐射带对保护地球起着很好的作用

它能俘获从太阳和其他天体

向地球射来的高能粒子

使它们不能到达地面

从而避免了高能粒子

对人类和其他生物的致命威胁

而另一方面

由于辐射带里的高能粒子

能向外辐射电磁波

会对人类身体造成巨大伤害

因此

它又是人类进行星际转移的巨大障碍

在太阳风暴期间

外辐射带可以膨胀100多倍

能够吞噬通信卫星和科学卫星

使它们暴露在有害的辐射当中

因此

进一步加深对辐射带的了解

至关重要

极光也是一种

与带电粒子在磁场中的运动

有关的现象

极光是出现在

高磁纬地区上空大气中的

彩色发光现象

它被视为自然界中

最美丽的奇观之一

长期观测统计结果表明

极光最经常出现的地方

是在南北磁纬67度附近的

两个环带状区域内

分别称作南极光区和北极光区

根据不完全的统计

能分辨清楚的极光色调

已达一百六十余种

那么

如此多姿多彩

变幻无穷的极光

到底是如何形成的呢

极光是太阳风

与地球磁场相互作用的结果

太阳风

是太阳喷射出的高速带电粒子流

当它吹到地球上空

会受到地球磁场的作用

在地磁两极附近

由于磁感线与地面垂直

外层空间入射的带电粒子

可直接射入高空大气层内

它们与大气中的原子和分子碰撞

并使它们激发 电离

产生光芒 形成极光

可见

极光产生的条件有三个

大气 磁场和高能带电粒子

这三者缺一不可

所以极光不只在地球上出现

太阳系内的其他一些

具有磁场的行星上也有极光

如木星和土星

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-电磁学引言

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第一章 静电场

-1.1 库仑定律

--1.1.1A 电荷(1)

--1.1.1B 电荷(2)

--1.1.2A 库仑定律

--1.1.2B  库仑定律例题

--1.1.2C 库仑定律小议

--1.1.3 电力叠加原理

-1.1 库仑定律

-1.2 电场 电场强度

--1.2.1 电场

--1.2.2 电场强度

-1.2 电场 电场强度——小测验

-1.3 电场强度的计算(1)

--1.3.1 场强叠加原理与点电荷系的场强

--1.3.2 电偶极子场强

--1.3.3 连续带电体系的场强

--1.3.4 细棒场强

--1.3.5 走近闪电

--1.3.6 平板场强

-1.3 电场强度的计算(1)——小测验

-第一章 静电场--WEEK1 作业

-1.3 电场强度的计算(2)

--1.3.7 圆环场强

--1.3.8 圆盘场强

-1.3 电场强度的计算(2)——小测验

-1.4 电场线 电通量

--1.4.1 电场线

--1.4.2 电通量

-1.4 电场线 电通量——小测验

-1.5 静电场的高斯定理

--1.5.1 高斯定理

--1.5.2 高斯定理思考题

-1.5 静电场的高斯定理——小测验

-1.6 利用高斯定理求静电场的分布

--1.6.1 高斯定理应用1

--1.6.2 高斯定理应用2

--1.6.3 高斯定理应用3

--1.6.4 高斯定理应用4

--1.6.5 静电场强求解举例及小结

-1.6 利用高斯定理求静电场的分布——小测验

-第一章 静电场--WEEK2 作业

-1.7 静电场的环路定理 电势

--1.7.1 静电场的环路定理

--1.7.2 电势能

--1.7.3 电势

--1.7.4 电势差

-1.7 静电场的环路定理 电势——小测验

-1.8 场强积分法求电势

--1.8.1 点电荷的电势

--1.8.2 均匀带电球面的电势

--1.8.3 无限长均匀带电直线的电势

--1.8.4 静电除尘

--1.8.5 两道小例题及本讲小结

-1.8 场强积分法求电势——小测验

-1.9 电势叠加原理及电势的计算

--1.9.1 电势叠加原理

--1.9.2 点电荷系的电势例题

--1.9.3 电偶极子的电势

--1.9.4 均匀带电细杆延长线上的电势

--1.9.5 圆环轴线上的电势

--1.9.6 圆盘轴线上的电势

--1.9.7 两个同心均匀带电球面的电势

--1.9.8 均匀带电球层的电势

--1.9.9 电势计算小结

-1.9 电势叠加原理及电势的计算——小测验

-1.10 等势面 电势梯度

--1.10.1 等势面

--1.10.2 电势梯度

--1.10.3 由电势梯度求场强例题

-1.10 等势面 电势梯度——小测验

-1.11 静电场中的电偶极子

--1.11 静电场中的电偶极子

-1.11 静电场中的电偶极子——小测验

-第一章 静电场-- WEEK3 作业

第二章 静电场中的导体和电介质

-2.1 导体的静电平衡条件

--2.1.1 物质导电性能分类

--2.1.2 导体的静电平衡条件

-2.1 导体的静电平衡条件——小测验

-2.2 静电平衡时导体上电荷的分布

--2.2.1 导体电荷分布1

--2.2.2 库仑定律的精确验证

--2.2.3 导体电荷分布2

--2.2.4 导体电荷分布3

--2.2.5 避雷针趣事

--2.2.6 范德格拉夫起电机

--2.2.7 场离子显微镜

-2.2 静电平衡时导体上电荷的分布——小测验

-2.3 静电屏蔽

--2.3.1 静电屏蔽

--2.3.2 静电屏蔽的应用

-2.3 静电屏蔽——小测验

-2.4 有导体存在时静电场量的计算

--2.4.1 有导体时场量计算原则与例题1

--2.4.2 导体例题2

--2.4.3 导体例题3

--2.4.4 导体例题4

-2.4 有导体存在时静电场量的计算——小测验

-第二章 静电场中的导体和电介质--WEEK4 作业

-2.5 静电场中的电介质

--2.5.1 电介质对电场的影响

--2.5.2 电介质的极化

--2.5.3 电极化强度

-2.5 静电场中的电介质——小测验

-2.6 有电介质时的高斯定理

--2.6.1 电位移和有电介质时的高斯定理

--2.6.2 D的高斯定理的应用例1

--2.6.3 D的高斯定理的应用例2

--2.6.4 静电场的边界条件

-2.6 有电介质时的高斯定理——小测验

-2.7 电容 电容器

--2.7.1 孤立导体的电容

--2.7.2 电容器及其电容

--2.7.3 电容器家族简介

--2.7.4 电容器的连接

--2.7.5 电容的计算及平板电容器的电容

--2.7.6 电容器的应用举例

--2.7.7 柱形电容器的电容

--2.7.8 神经元的电容

--2.7.9 球形电容器的电容

--2.7.10 分布电容

-2.7 电容 电容器——小测验

-2.8 静电场的能量

--2.8.1 电容器的能量

--2.8.2 电容器的能量例题

--2.8.3 巧克力碎屑的秘密Ⅲ

--2.8.4 静电场的能量 能量密度

--2.8.5 静电场的能量例题

--2.8.6 核裂变能的估算

-2.8 静电场的能量——小测验

-第二章 静电场中的导体和电介质--WEEK5 作业

第三章 稳恒磁场

-3.1 稳恒电流

--3.1.1 磁学概述

--3.1.2电流 电流密度

--3.1.3欧姆定律的微分形式

--3.1.4电源和电动势

--3.1.5 巧克力碎屑的秘密Ⅳ

--3.1.6 案例研究

-3.1 稳恒电流——小测验

-3.2 磁场 磁感应强度

--3.2.1磁的基本现象

--3.2.2磁场和磁感应强度

--3.2.3磁感线

-3.3 毕奥—萨伐尔定律

--3.3.1毕奥--萨伐尔定律的内容

--3.3.2毕奥--萨伐尔定律的应用一

--3.3.3毕奥--萨伐尔定律的应用二

--3.3.4毕奥--萨伐尔定律的应用三

--3.3.5毕奥--萨伐尔定律的应用四

--3.3.6运动电荷的磁场

-3.3 毕奥—萨伐尔定律——小测验

-第三章 稳恒磁场--WEEK6 作业

-3.4 磁场的高斯定理和安培环路定理

--3.4.1磁场的高斯定理

--3.4.2安培环路定理

--3.4.3第四节应用一

--3.4.4第四节应用二

--3.4.5第四节应用三

--3.4.6第四节应用四

--3.4.7第四节应用五

-3.4 磁场的高斯定理和安培环路定理——小测验

-3.5 磁场对载流导线的作用

--3.5.1安培力

--3.5.2安培力例一

--3.5.3安培力例二

--3.5.4安培力例三

--3.5.5电磁炮

--3.5.6磁矩

--3.5.7磁力矩

--3.5.8磁力矩例题

-3.5 磁场对载流导线的作用——小测验

-3.6 磁场对运动电荷的作用

--3.6.1洛伦兹力

--3.6.2带电粒子在磁场中的运动

--3.6.3带电粒子在磁场中的运动(续)

--3.6.4霍尔效应

-3.6 磁场对运动电荷的作用——小测验

-第三章 稳恒磁场--WEEK7 作业

-3.7 磁场中的磁介质

--3.7.1磁介质分类

--3.7.2磁介质的磁化

--3.7.3磁化强度磁化电流

--3.7.4磁化强度磁化电流(续)

--3.7.5 H的环路定理

--3.7.6 第七节例一

--3.7.7 第七节例二

--3.7.8 铁磁质

第四章 电磁感应 麦克斯韦方程组

-4.1 法拉第电磁感应定律

--4.1.1 法拉第电磁感应定律

--4.1.2 法拉第电磁感应定律例题

--4.1.3 楞次定律

-4.1 法拉第电磁感应定律——小测验

-4.2 动生电动势

--4.2.1 动生电动势定义

--4.2.2 动生电动势例题(一)

--4.2.3 动生电动势例题(二)

-4.2 动生电动势——小测验

-第四章 电磁感应 麦克斯韦方程组--WEEK8 作业

-4.3 感生电动势及感生电场

--4.3.1 感生电动势及感生电场

--4.3.2 感生电场的计算

--4.3.3 电子感应加速器

-4.3 感生电动势及感生电场——小测验

-4.4 感生电动势例题

--4.4.1 感生电动势例题(一)

--4.4.2 感生电动势例题(二)

-4.4 感生电动势例题——小测验

-4.5 涡电流及电磁阻尼

--4.5.1 法拉第电磁感应定律再讨论

--4.5.2 法拉第的主要成就

--4.5.3 涡电流及电磁阻力

-4.5 涡电流及电磁阻尼——小测验

-4.6 互感与自感

--4.6.1 自感、自感电动势、自感系数

--4.6.2 自感例题

--4.6.3 互感、互感电动势、互感系数及例题

-4.6 互感与自感——小测验

-第四章 电磁感应 麦克斯韦方程组--WEEK9 作业

-4.7 磁场的能量和能量密度

--4.7.1 磁场能量

--4.7.2 位移电流

-4.7 磁场的能量和能量密度——小测验

-4.8 麦克斯韦方程组 电磁波

--4.8.1 普遍意义的安培环路定理

--4.8.2 电磁波

-4.8 麦克斯韦方程组 电磁波——小测验

-第四章 电磁感应 麦克斯韦方程组--WEEK10 作业

3.6.3带电粒子在磁场中的运动(续)笔记与讨论

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