磁束-带电粒子在非均匀磁场中的运动_自动化网-工控人家园官网

带电粒子在非均匀磁场中的运动比较复杂，这里我们定性地讨论一个特殊例子。

如下图所示，非均匀磁场具有轴对称分布，中间区域的磁场较弱，两端的磁场较强。因为带电粒子能被束缚在这类磁场中，这种磁场有时称为磁束，它可以用两个通电的平面线圈来产生。

假设带正电的粒子以垂直于纸面向里的速度v进入图中的P1点，由于此处B的轴向分量，带电粒子将作圆周运动。B还有一个不大的径向分量，此分量使作回旋运动的带电粒子受到一指向右边的力，从而使带电粒子向右运动，进入较弱的磁场区。

由于这里的磁场较弱，因而带电粒子的回旋半径增大。在P2点处，B没有径向分量，故在这里作回旋运动的粒子不再获得向右的加速度，但由于粒子具有向右的速度，它仍能继续向右运动而进入右端较强的磁场区。在右端磁场区中(如P3点)，带电粒子也将受到轴向和径向磁场的作用，但右端磁场的径向分量的指向与左端磁场的径向分量的指向正好相反，因此这时带电粒子受到的轴向磁场力方向向左。对带负电的粒子也可作类似的分析。

在非均匀磁场中运动的带电粒子，总是受到一个指向磁场减弱方向的轴向分力。在这个分离的作用下，接近两端的带电粒子就象光线遇到镜面反射一样，又沿一定的回旋螺线向中心弱磁场区域返回，这就是所谓的磁镜效应，于是带电粒子将在两“磁镜”之间来回振荡。

在可控热核反应装置中，常采用强磁束把高温等离子体束缚在有限的空间区域，从而实现热核反应。

地球的磁场与一个棒状磁体的磁场相似，地磁轴与自转轴的交角为11.50，地磁两极在地面上的位置是经常变化的。地磁场实际上也是一磁束，地球是一个天然的磁约束捕集器，它使来自宇宙射线和“太阳风” （如下图左）的带电粒子在地磁南、北两极之间来回振荡。被地磁场捕获的罩在地球上空的质子层和电子层，形成范·阿仑(Van Allen）辐射带，如下图右所示。在高纬地区出现的极光则是高速电子与大气相互作用引起的，图14.29是探索者1号宇航器从太空拍摄到的地磁北极上空极光的紫外照片。

从太阳表面抛出的带电粒子（质子和电子）形成的“太阳风”以400km/s的速度吹向地球，因为带电粒子在磁场中要作回旋运动，因而地球磁场对它太阳风来说是一座屏障。太阳风在地球迎阳的一面约65,000km的上空形成了一个类似飞机音爆的巨大冲击波，在穿过这个冲击波后，绝大部分的太阳风绕地磁场发生偏向，在这个过程中，迎阳一面的地磁场被“挤压”，而背阳一面的地磁场形成一个长长的“磁尾”。

太阳风在太阳活动期的风速可高达1000m/s，对地球产生全球性的干扰，称为磁爆。由于磁爆对电离层的干扰，可使短波无线电通信中断。

正是靠地磁场将来自宇宙空间能致生物于死命的各种高能粒子或射线捕获住，才使地球上的生物安全地生存下来。

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