当前课程知识点:大学物理——电磁学 > 第三章 稳恒磁场 > 3.6 磁场对运动电荷的作用 > 3.6.3带电粒子在磁场中的运动(续)
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
-大学物理绪论
--大学物理绪论
-电磁学引言
--电磁学引言
-1.1 库仑定律
-1.1 库仑定律
-1.2 电场 电场强度
--1.2.1 电场
-1.2 电场 电场强度——小测验
-1.3 电场强度的计算(1)
-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 电场强度的计算(2)——小测验
-1.4 电场线 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 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 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
--1.7.3 电势
-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 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 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 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——小测验
-第一章 静电场-- WEEK3 作业
-2.1 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 静电平衡时导体上电荷的分布——小测验
-2.3 静电屏蔽
-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 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 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 有电介质时的高斯定理——小测验
-2.7 电容 电容器
-2.7 电容 电容器——小测验
-2.8 静电场的能量
-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
-3.1 稳恒电流
-3.1 稳恒电流——小测验
-3.2 磁场 磁感应强度
--3.2.3磁感线
-3.3 毕奥—萨伐尔定律
-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 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
--3.5.5电磁炮
--3.5.6磁矩
--3.5.7磁力矩
-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 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
-4.1 法拉第电磁感应定律
-4.1 法拉第电磁感应定律——小测验
-4.2 动生电动势
-4.2 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 感生电动势及感生电场——小测验
-4.4 感生电动势例题
-4.4 感生电动势例题——小测验
-4.5 涡电流及电磁阻尼
-4.5 涡电流及电磁阻尼——小测验
-4.6 互感与自感
-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 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 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