19242

АДИАБАТИЧЕСКИЕ ИНВАРИАНТЫ ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Лекция

Физика

Лекция 5 Адиабатические инварианты для движения частиц в магнитном поле Инвариантность магнитного момента частицы во времени инвариантность частицы в постоянном во времени и неоднородном в пространстве магнитном пол инвариантность величины vl ...

Русский

2013-07-11

967.5 KB

22 чел.

Лекция 5

Адиабатические инварианты для движения частиц в магнитном поле

Инвариантность магнитного момента частицы во времени, инвариантность частицы в постоянном во времени и неоднородном в пространстве магнитном пол, инвариантность величины vl

Как известно из механики, любая механическая система, совершающая финитное движение, например, математический маятник или груз, подвешенный на пружинке, имеет траекторию, занимающую в фазовом пространстве ограниченную область (в простейшем случае одномерного движения это плоскость обобщенного импульса и обобщенной координаты, рис.5.1). Если энергия этой системы сохраняется, то траектория, отвечающая заданной энергии W, является замкнутой. Охватываемая этой траекторией площадь, очевидно, является точным интегралом движения. Существенно, что приближенное сохранение этой площади имеет место и том случае, когда энергия системы меняется со временем под действием какого-либо возмущения (например, слабого трения, или изменения длины маятника и тому подобное), но это изменение медленное по сравнению с периодом невозмущенного движения. Теперь эта площадь уже не является точным интегралом движения, и сохранение имеет место лишь в среднем по периоду невозмущенного движения. В этом случае говорят о сохранении адиабатического инварианта. По размерности эта площадь пропорциональна произведению средней за период энергии частицы на величину этого периода:

.    

Поэтому, если при изменении какого-либо параметра системы период движения уменьшается (например, для математического маятника период, как известно, определяется соотношением , и период уменьшается с уменьшением длины маятника), то её энергия в среднем возрастает.

Принцип адиабатической инвариантности находит важные приложения к проблеме удержания плазмы по необходимости траектории частиц должны быть финитными. Рассмотрим кратко некоторые приложения этого принципа для случая движения частиц в магнитном поле.

Инвариантность магнитного момента частицы во времени

Если заряженная частица движется в однородном, но меняющемся во времени магнитном поле, то ее ларморовский радиус и перпендикулярная скорость будут меняться. Это происходит потому, что индуцированное меняющимся магнитным полем электрическое будет ускорять (или замедлять) частицу.

Выберем цилиндрическую систему координат так, чтобы вектор напряженности магнитного поля был параллелен оси z этой системы (см. рис.5.2), тогда , где  - соответствующий единичный вектор.

Из закона индукции

,   

находим

.         

Подставляя теперь эти поля в оставшиеся уравнения Максвелла, обнаруживаем, что

        

Поэтому уравнения Максвелла удовлетворяются тождественно при выборе линейной зависимости напряженности магнитного поля от времени, так что:

,       

где  - постоянная величина (скорость изменения поля), которая может быть как положительной (поле растет), так и отрицательной (поле убывает);  - начальное значение поля.

Полученное решение уравнений Максвелла точное, но несколько искусственное: трудно представить себе ситуацию, когда магнитное поле нарастает сразу во всем пространстве. На практике часто используют приближенное решение, считая, что порождающие магнитное поле токи меняются настолько медленно, что токами смещения (и, тем самым, волновым процессом установления поля) можно пренебречь. Тогда

формулы

,       

приближенно описывают распределение полей при произвольной зависимости В(t), медленной на масштабах времени t~L/c, где L - размер области, занимаемой полем.

Для иллюстрации сохранения   магнитного момента или поперечного адиабатического инварианта при движении частицы в переменном магнитном поле ограничимся грубым приближением, считая, что радиальная скорость тождественно равна нулю и радиус орбиты постоянный. В этом приближении уравнения движения сводятся к виду

,         

и, как не трудно проверить, дают соотношение

.         

Это означает, что отношение

         

сохраняется. Переобозначив v v, получим окончательно

.         

Грубое приближение, использованное выше, вовсе не обязательно. Детальные расчеты показывают сохранение в общем случае в условиях применимости адиабатического приближения. Для иллюстрации «качества» сохранения  на рис.5.3 приведены результаты точных численных расчетов этого параметра для частного вида осциллирующего поля.

Инвариантность частицы в постоянном во времени и неоднородном в пространстве магнитном поле

Когда поле В постоянное во времени, но медленно меняется в пространстве, то при переходе частицы из слабого поля в более сильное на нее действует сила (рис.5.4.):

;   (5.1)

Здесь

.    (5.2)

После преобразования вдоль траектории получим

.   (5.3)

Так как полная энергия при движении в магнитном поле сохраняется

,

то получаем

;       (5.4)

что возможно, только если

 =const.          (5.5)

Неточность, допущенная при выводе, в данном случае связана с тем, что изменения В в перпендикулярном направлении не учтены. Это допустимо лишь при медленном изменении. Обобщая уравнения (5.1) и (5.5), можно сказать, что магнитный момент представляет собой адиабатический инвариант движения заряженной частицы в медленно изменяющемся магнитном поле.

Отсюда можно сделать несколько интересных выводов. Из вполне очевидных алгебраических выкладок

    

следует, что магнитный поток, пронизывающий ларморовский кружок, адиабатически постоянен. Это обстоятельство приводит к выводу, что при изменении магнитного поля ларморовский радиус изменяется по закону:

,         

то есть значительно медленнее, чем в случае постоянной поперечной скорости.

Аналогично получим:

,        

то есть момент количества движения частицы также остается адиабатически постоянным.

Инвариантность величины vl

Рассмотрим движение частицы в ящике с упругими стенками (рис.5.5). Пусть скорость частицы, направленная вдоль дна ящика, равна v, а одна из стенок ящика движется со скоростью U<<v. Для заряженной частицы «стенкой ящика» может быть область усиленного магнитного поля, от которой частица отражается.

При упругом отражении от движущейся стенки частица изменит скорость на величину v = 2U (считаем массу стенки бесконечной). Тогда изменение скорости частицы за одно полное колебание

,   

будет равно

.    

Так как , то получаем

    

или

.          (5.6)

Сближающиеся стенки увеличивают скорость частицы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78950. Этические проблемы науки 20 века 42.5 KB
  Этические проблемы науки 20 века. Этика науки Этика науки изучает нравственные основы научной деятельности.Этические проблемы науки начала ХХ1в. Этические проблемы науки рождались в связи с развитием физики биологии в частности генетики психологии.
78951. Правовое регулирование научной деятельности 38 KB
  Правовое регулирование научной деятельности Одним из фундаментальных вопросов современного общества является вопрос об отношении к интеллектуальному труду правовому механизму использования результатов такого труда и регулирования возникающих при этом правоотношений. Правовые аспекты интеллектуальной деятельности лежат в плоскости решения проблем распределения прав на ее результаты с необходимостью охраны и защиты интеллектуальных достижений. Продуктом умственной деятельности оказывается знание. №982 Об использовании результатов...
78952. Философия техники (фт), ее генезис, предмет и задачи 47 KB
  Философия техники фт ее генезис предмет и задачи. Проблема возникновения техники с разделением труда была поставлена Гегелем. Он показал важную роль техники в возникновении капитализма показал разрушительное воздействие машинного производства на человека.Ленк назвал Маркса первым философом техники.
78953. Становление, развитие и специфика технических наук 56.5 KB
  Становление развитие и специфика технических наук. Техника большую часть своей истории была мало связана с наукой; люди могли делать и делали устройства не понимая почему они так работают. Инженеры провозглашая ориентацию на науку в своей непосредственной практической деятельности руководствовались ею незначительно. После многих веков такой автономии наука и техника соединились в XVII веке в начале научной революции.
78954. Сущность и природа техники 47.5 KB
  Сущность и природа техники. Существует 5 основных подходов сущности техники. отношением: Техника и бытие Техника и человек Техника и природа Техника и социокультурный мир Техника и Бог Даются следующие трактовки техники: Онтологическая Хайдеггер. Это характерно для создания техники ремесленным трудом не преминим к современной технике.
78955. Технология и ее связь с техникой 47 KB
  Впервые термин «технология» появился в 70-х годах 18 века в Западной Европе. Если техники – «это», то технология – «как это сделано». Если техника – способ, то технология – способ способа. Если техника – есть ставшее, то технология – способ становления, если техника- способ преобразования мира, то технология – организация использование чел. этих средств. Если техника – артефакт, то технология – метод создания артефактов и учения о нем.
78956. Природа и техника, законы их функционирования и развития 59 KB
  Природа и техника законы их функционирования и развития. Закон необходимое существенное устойчивое повторяющееся отношение связь между явлениями в природе и обществе. Это понятие закона родственно понятию сущности при данных условиях. Закономерность объективно существующая повторяющая существенная связь явлений проявляющаяся в виде тенденций.
78957. Инновации в традиционном и техногенном обществах 29.5 KB
  Инновации в традиционном и техногенном обществах Традиционные общества является исторически первыми. Данный тип общества возник в глубокой древности распространен он и сейчас. Некоторые традиционные общества были поглощены техногенными другие приобрели гибридные черты балансируя между техногенными и традиционными ориентациями. При характеристике традиционных типов общества очевиден тот факт что они обладая замедленным темпом развития придерживаются устойчивых стереотипов своего функционирования.