题目：带电粒子在非均匀电磁场中的运动分析1. 引言：1静带电粒子在均匀，恒定磁场中的运动12. 带电粒子在均匀，恒定电磁场中的运动23.1带电粒子在均匀，恒定电磁场中的运动的分析23.2带电粒子在均匀电磁场中的运动微分方程2带电粒子在非均匀，恒定磁场中的运动53. 带电粒子在非均匀磁场中的几种漂移65.1梯度漂移65.2曲率漂移8结论94. 叁考文献：10致谢11带点粒子在非均匀电磁场中的运动摘要：本文中论述带电粒子在均匀电磁场中的运动情况，并对带电粒子在非均匀电磁场中的运动进行较深刻的讨论，及推导带电粒子在非均匀磁场中运动时的漂移速度关键词：带电粒子；电场;磁场;漂移速度1. 引言:在很多等离子体的应用中，都涉及到磁场对等离子体的作用•因此，研究带电粒子在非均匀磁场中的运动，对于研究等离子体的应用是很有必要的•大家知道带电粒子在均匀恒定磁场中的运动由两部分组成：一部分是沿磁感应线的（纵向）匀速直线运动；另一部分是环绕磁感应线的（横向）匀速圆周运动•这两部分合起来就是使带电粒子沿磁感应线作螺旋运动•在非均匀恒定磁场中，会发生洛伦磁力方向上的漂移，还会发生一种垂直于磁场方向的漂移2. 静带电粒子在均匀，恒定磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动，受lorentz力的作用，其运动方程：ma二qvB（1）在磁场B均匀，恒定条件下，垂直于B的速度分量v_受到与B和v_都垂直的恒力qvB的作用，使带点粒子在垂直于B的平面内以v_作匀速圆周运动，圆半径为rL=吟⑵qBrL称为回旋半径或Larmor半径，圆周运动的角速度为(3)-'l称为回旋圆频率（Larmor频率）。
平行于B的速度分量：〃不受力，使带电粒子沿B的方向即沿磁力以：作匀速直线运动因此，带电粒子在均匀恒定磁场中的运动轨迹是以磁力线为轴的等距螺旋线，螺距为h=v〃TL=2二mv〃qB(4)'L2二rLv_(5)其中TL=—=2^-称为回旋周期或Larmor周期叽v丄可以看带电粒子均匀磁场中的运动时，它的周期与轨道半径成正比，在恒定的周期内轨道半径与速度成正比，利用这个规律可以使电子加速3. 带电粒子在均匀，恒定电磁场中的运动3.1带电粒子在均匀，恒定电磁场中的运动的简单解释如果除了均匀恒定磁场外，还存在着均匀恒定电场或其他非电磁力，或者，如果磁场给均匀，不恒定，则带电粒子运动的重要特征是出现漂移即引导中心除了沿磁力线的运动外，还有垂直磁力线的运动，或者称为漂移3.2带电粒子在均匀电磁场中的运动分析如图1所示,在三维直角坐标系oxyz中，磁感应强度三二Bzk,电场强度为E二Eyj，Ezk当t=0时，一质量为m,电量为q的带电粒子从坐标原点0经过，速度为Vo=vxoiVyojVzoko在不考虑重力作用情况下，带电粒子在任意时刻t所受到的合外力为———一一■■F二qEq(v：二qEyjqEzkq(VxiVyjVzk)：』zk=qvy戈iq(Ey-Vx^z)jqEzkd2xqyBz2(6)dtmd2yq(Ey-Vx^z)2(7)dtmd2xqyBz2(6)dtmd2yq(Ey-Vx^z)2(7)dtm图1根据牛顿第二运动定律，粒子的运动微分方程为初始条件为VxJVx0d2zdt2t-0vy求解微分方程根据式（6）得qEz(8)t=oyoVzd2xt=o二Vz0Vyqmzdt2dVx将式（9）两边对时间求一阶导数得dVydt2Vxdt2(9)(10)将式（10）代入式（7）得d2Vxdt2Vx2_q戈Ey.。
d2dt2MLEyVx戈.m这是一个二阶常系数线性微分方程，方程的解为Vx=Eycisinq2z:zm再进行积分为X二空tCxo」mEzEytC2COSq浑mcosq二z将式（11）代入式(7)得Vy=&coS^^t-c2sitmmy~o空sin毎t空cos旦ty0q戈mq戈m(11)(12)(13)(14)将初始条件x=o，yt眇0,Vxt訂Vxo，Vyt=0二Vy0代入式（12）~（14）得mVyOCx0qEzmVyOCx0qEzCy0:qEzVx0Ey2zCi=VyO,EyC2=Vx0-:z(15)X=邑+业一叫cos业t+工Vxo-邑〕sin业tEzqEzqEzmqEzIEz丿mmVyoy=q三zsind』Vx0Ez丿mm(Ey)Vx0qEzIEz丿(16)根据式（8）和初始条件z^Q=0,VztT=Vzo得(17)(17)Z二Vz°t式（15）,（16）和（17）即为带电粒子在均匀电磁场中的运动方程根据以上分析得到的结果，在一般的情况下，带电粒子在均匀电磁场中的运动可以看成是3个运动的合运动其中在Z轴上是一个匀加速直线运动；在xy平面上是一个匀速圆周运动和一个沿x轴的匀速直线运动。
图2中所示的螺旋曲线是一般情况下带电粒子的运动轨迹图.2在一些特殊条件下，带电粒子可能只叁与以上3个运动中的一到两个运动，下面我们将分几种不同的情况进行讨论1）如果空间电场和磁场的方向互相平（Ey=0），且带电粒子在xy平面上的分速度不为零，则粒子的运动可以看成是两个运动的合成，既在z轴方向的匀加速直线运动和在xy平面上的匀速圆周运动其运动轨迹如图3所示2）如果空间电场和磁场的方向互相平（Ey=0），且带电粒子在xy平面上的分速度为零，则粒子只有一个运动，既沿z轴方向的匀加速直线运动3)如果空间电场和磁场的万向互相垂直(Ez=0)，带电粒子在z轴上的分速度不为零,则粒子的运动仍然是3个运动的合成其中在z轴上的运动为一匀速直线运动；而在xy平面上还是一个匀速圆周运动和一个沿x轴的匀速直线运动图.3其运动轨迹如图4所示(4)如果空间电场和磁场的万向互相垂直(Ez=O)，且带电粒子在z轴上的分速度为零，则粒子的运动可以看成是两个运动的合成既在x轴方向的匀速直线运动和而在xy平面上的匀速圆周运动其运动轨迹如图5所示5)如果空间电场和磁场的万向互相垂直(Ez=O)，带电粒子在y轴和z轴上的分速度为零，且在x轴上的分速度为“自'则粒子只有一个运动。
既沿x轴方向的匀速直线运动图.44. 带电粒子在非均匀，恒定磁场中的运动以磁场中所考察的那一点作为坐标原点建立直角坐标系，令z轴与原点上B的方向重合，于是Bx0=By0=0，Bz0=B由于磁场随空间缓慢地变化，所以在原点附近除了有Bz分量以外，还将出现其它的分量.每一个分量都可随三个坐标x,y,z中的任一个而改变，所以需要9个偏导数才能完全确定磁场在一点的空间变化率；换句话说，为了描述磁场的不均匀性，需要引入一个二阶张量磁场的空间梯度B，把它写成矩阵形式就-CBxCXeByexcBzIex晶=CBxeBycBz訥讷cBxeBycBz一傘cz&一5. 带电粒子在非均匀磁场中的几种漂移5.1梯度漂移令z轴平行于磁场,设磁场随x而改变,且—>0.在图6中,一个正粒cX子将沿顺时针方向绕磁感应线旋转•当它画上半部分轨道时，总是由弱场地点向强场地点运动，回旋半径会越来越小；相反地，在画下半部分轨道时，则由强场地点向弱场地点运动，回旋半径会越来越大•这样一来，引导中心就会产生一个沿y轴向上的漂移.对于负粒子来说，因为回旋方向与正粒子相反，所以将沿着y轴向下漂移图.6图.7现在来求磁场梯度引起的漂移速度Vdeg.从粒子回旋轨道的对称性看到，粒子每完成一个回旋时，它在x方向的力学状态(坐标、动量)就恢复原状，就是运动方程(18)(18)4mv二qv)Byqv在一个回旋上例如图6的1、2两点之间，积分将等于零，即t2Vxdt=t1这里t1,t2是粒子经过1、t2Vxdt=t1这里t1,t2是粒子经过1、t2—VyBxdt=mt12两点的时间，y1t2qBxdy=0mt1,y2是两点的y坐标.把B(19)(X)对原点作泰勒展开，略去高次项以后，有(20)(20)Bx=B+—xex其中B是原点处的磁感强度.以式(19)代入式(20),整理后可得：y(21)(21)1cB1cB2y2-yxdyrB：xy1B：xy1Bex其中y2-y*!表示在一个回旋周期Tc=内引导中心沿y方向的位移.计算上°c式右方时，假设——B是合缓变条件|rc•'B|<
根据以上结果，求得正、负粒子梯度漂移速度为VDBGVDBG■呷卩r吗BB2B■：■-•BqB(22)梯度漂移速度取决于粒子的性质，正、负粒子将沿相反方向漂移，式(22)可以改写成VDEGqB2(23)由此可以认为梯度漂移是由力F厂BG-B所引起的，这里J是粒子的轨道磁矩5.2曲率漂移磁场的不均匀性除表现为梯度以外，一般还有磁场的弯曲梯度相当于横向不均匀性，而弯曲则相当于纵向不均匀假设磁场弯曲时轻微的，即满足缓变条件住•灯B^vvB,于是磁感应线曲率半径R将远大于粒子回旋半径rc，而带电粒子在弯曲磁场中的运动仍可看成是绕一个动点的回旋，不过这个动点现在已v的素的沿曲线运动者在以它作为原点的坐标系，带电粒子将感受到一个惯性离心力Fbc(24)FxB的作用，根据：d=F2B知，这个力将使引导中心产生一个漂移速度:qBmv2mv2VDBCRxB=qB2R2RBqB2R22‘RB^B齢、卫qB2-BB叫做曲率漂移速度，正，负将粒子将沿相反方向进行漂移，式((25)25)的最后一步用到了曲率向量式RR2如果研究的点不存在在电流，即'B=0,并假设◎八B=—=0,则式（25）IB丿£z可以简化为Vdbc廿BqB(26)在此情形下，合并式（22）和式（26），可得总磁漂移速度DBDBDBGDBCqB32^"RB2qB2R22qB2R2mvmv2(27)这种漂移在环形磁场约束等离子体重视要努力克服的6.结论根据以上的讨论我们可以看出带电粒子在非均匀磁场中的运动，对于研究等离子体的应用是很有必要的.带电粒子在均匀恒定磁场中的运动由两部分组成：一部分是沿磁感应线的（纵向）匀速直线运动；另一部分是环绕磁感应线的（横向）匀速圆周运动.这两部分合起来就是使带电粒子沿磁感应线作螺旋运动•在这个基础上，推导出带电粒子在非均匀恒定磁场中的梯度漂移速度和曲率漂移速度。
7.叁考文献:[1]AlvenH,FalthammarCG.电动力学戴世强译北京：科学出版社1974[2]许敖敖，唐玉华电动力学导论北京：高等教育出版社1987[3]徐家鸾，金尚宪等离子体物理学北京：原子能出版社1981[4]彭国贤，气体放电等离子体物理应用上海：知识出版社1988⑸马腾才，胡希伟等离子体物理原理合肥：中国科技大学出版社1988⑹赵凯华•陈熙谋•电磁学・[M]北京：高等教育出版社金佑民，樊友三低温等离子体物理基础北京：清华大学出版社1983[7] 赵凯华•陈熙谋•电磁学（新概念物理教程）•[M]北京：高等教育出版社周衍柏理论力学教程高等教育出版社1986年[8] 胡秋友文U之景《电磁学》（M）北京.高等教育出版社（1994年）出版。