Движение по спирали в магнитном поле

Физика > Спиральное движение

 

При каких условиях заряженная частица в магнитном поле движется по спирали: направление вектора скорости и магнитного поля, магнитное зеркало, схема и формула.

Если вектор скорости не располагается перпендикулярно к вектору магнитного поля, возникает спиральное движение.

Задача обучения

• Выявить условия, создающие спиральное движение для заряженной частички в магнитном поле.

Основные пункты

• Если скорость не выступает перпендикулярной к магнитному полю, то мы концентрируемся только на v, перпендикулярной полю.
• Скоростная составляющая не меняется, потому что магнитная сила приравнивается к нулю для перемещения, параллельного полю. Из-за этого формируется спиральное движение.
• Заряды способны прокручиваться вдоль линий поля. Если сила магнитного поля вырастает в сторону движения, то поле заставит заряды замедлиться и изменить направленность оборотов. Это магнитное зеркало.

Термины

• Магнитное зеркало – конфигурация магнитного поля, где напряженность меняется при перемещении вдоль линии поля.
• Спиральное движение – одна скоростная составляющая остается стабильной по величине и направлению, а вторая стабильна лишь по скорости, но равномерно распространяется в направлении.

Спиральное движение

Круговое движение создается из-за того, что магнитная сила выступает перпендикулярной к скорости в любой временной точке. Скорость и кинетическая энергия не меняются, но перемены происходят в направлении.

Частичка с отрицательным зарядом перемещается в области, где магнитное поле располагается перпендикулярно. Магнитная сила также перпендикулярна по отношению к скорости, поэтому вторая меняется с направлением, но не по величине

Что делать, если скорость не расположена перпендикулярно к магнитному полю? Тогда в расчетах учитывайте только v:

Скоростная составляющая не меняется, потому что магнитная сила приравнивается к нулю в перемещении. Это и формирует движение по спирали в магнитном поле, а не круговое.

Взгляните на электроны, которые следуют по линиям поля. Скоростной компонент параллелен линиям и не меняется, поэтому заряды проходят спирально. Если напряженность растет в сторону движения, то поле постарается замедлить заряды и создаст магнитное зеркало.

Когда частичка с зарядом перемещается вдоль линии магнитного поля в участок, где поле повышает свою силу, то скорость частицы уменьшается. Эта сила формирует магнитное зеркало

Перемещение заряженных частичек в магнитных полях влияет на множество явлений, вроде полярных сияний и ускорителя частиц. Частички с зарядами подходят к линиям магнитного поля и могут попасть в ловушку спиральных орбит. К примеру, некоторые космические лучи следуют за магнитными линиями поля нашей планеты. Многие из них проникают сквозь атмосферный слой и создают значительную долю облучения на полюсах.

Энергичные электроны и протоны, входящие в космические лучи, отправляются от Солнца и глубокого космического пространства. По пути они следуют за линиями земного магнитного поля, но не пересекают их

---