單粒子軌道市公開課一等獎省賽課獲獎課件

（3）帶電粒子在電磁場中運動Ⅰ高溫等離子體物理基礎高溫等離子體物理基礎楊州軍秋單粒子軌道第1頁帶電粒子在電磁場中運動2.1帶電粒子在均勻恒定磁場中運動2.2帶電粒子在非均勻磁場中運動2.3帶電粒子在均勻恒定磁場和改變電場中運動2.4寢漸不變量及其應用2.5帶電粒子在高頻場中運動2.6帶電粒子在環(huán)形磁場中運動單粒子軌道第2頁單粒子軌道運動忽略帶電粒子之間相互作用假設等離子體帶電粒子運動所產生電磁場與外場相比是小量等離子體看成由大量相互獨立粒子組成集合，這么，單個帶電粒子在外場中運動可看成是含有代表性，知道了單個粒子運動規(guī)律，能夠粗率地預計和推斷整個粒子系統(tǒng)在外場中一些性質。通常只考慮磁場，把其它場作為擾動場。單粒子軌道第3頁基本守恒關系首先討論E=0且B與時間無關，即B=B(r)情形。結論：在穩(wěn)恒磁場中粒子動能是一個常數(shù)。單粒子軌道第4頁基本守恒關系包含靜電場情形下。結論：動能和勢能和是一個常數(shù)。單粒子軌道第5頁帶電粒子在電磁場中運動2.1帶電粒子在均勻恒定磁場中運動2.2帶電粒子在非均勻磁場中運動2.3帶電粒子在均勻恒定磁場和改變電場中運動2.4寢漸不變量及其應用2.5帶電粒子在高頻場中運動2.6帶電粒子在環(huán)形磁場中運動單粒子軌道第6頁2.1帶電粒子在均勻恒定磁場中運動2.1.1均勻恒定磁場中運動B為常量，B=Bez，E=F=0單粒子軌道第7頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動平行于磁場方向垂直于磁場方向洛侖茲力垂直于粒子運動速度，故磁場對帶電粒子不做功，粒子總動能守恒，粒子垂直速度大小也保持不變。單粒子軌道第8頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動在XY平面內，采取復平面坐標，則有令為初始相位取其實部和虛部能夠得到單粒子軌道第9頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動粒子盤旋中心軌道叫做引導中心單粒子軌道第10頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動討論：抗磁性帶電粒子在磁場中盤旋運動，會產生一個附加磁場，與原磁場方向相反，所以稱等離子體含有抗磁性。磁場強度單粒子軌道第11頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動單粒子軌道第12頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動估算，在tokamak中在當前磁場不太強溫度不太高試驗條件下，就用單粒子軌道第13頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動2.1.2電漂移設除磁場外，還存在一個均勻恒定小電場E，則帶電粒子運動方程為電場可分解為單粒子軌道第14頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動2.1.2電漂移沿磁力線勻加速運動，速度能夠到達相當大，非相對論近似不成立；正負電荷運動方向相反，電荷分離，產生很大電場；碰撞所引發(fā)摩擦阻力和上述電場都能限制帶電粒子能到達最大速度。粒子速度較大，產生較大宏觀電流，產生感應磁場，改變原磁場形態(tài)，單粒子軌道理論不適用。電場平行于磁場逃逸電子單粒子軌道第15頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動電場垂直于磁場粒子沿磁力線勻速直線運動，垂直于磁場運動：單粒子軌道第16頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動BEzxY單粒子軌道第17頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動即令單粒子軌道第18頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動漂移速度電場漂移速度yzxBEx即導向中心漂移速度單粒子軌道第19頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動垂直于磁場和電場方向單粒子軌道第20頁三個視角上直觀圖像正面yzxBEx正負電荷漂移速率相同正負電荷圓周運動半徑不一樣單粒子軌道第21頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動yzxBEx左前方單粒子軌道第22頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動yzxBEx左上方單粒子軌道第23頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動電場漂移速度矢量形式標量形式為了得到漂移速度普通公式，可用矢量形式來解方程，粒子速度有兩部分組成牛頓方程盤旋運動單粒子軌道第24頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動無電場時盤旋運動單粒子軌道第25頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動用叉乘上式，得到電場漂移速度單粒子軌道第26頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動帶電粒子漂移方向垂直于磁場和電場方向，漂移速度大小和粒子電荷符號以及粒子質量都無關，所以，全部正負帶電粒子都以相同速度朝同一方向漂移，這就不會引發(fā)電荷分離，所以不會出現(xiàn)漂移電流。不過假如考慮帶電粒子和中性粒子碰撞，離子-中性粒子之間碰撞頻率要大于電子-中性粒子碰撞頻率，所以造成離子漂移要比電子慢，以至會產生一個電流，稱為Hall電流。定性分析電子和離子漂移速度相同單粒子軌道第27頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動這就是外場力作用下漂移速度矢量形式深入推廣，上式上下乘q外場力單粒子軌道第28頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動2.1.3重力漂移重力重力漂移單粒子軌道第29頁這個漂移同外力與B都垂直。在重力作用下，離子和電子反方向漂移帶電粒子在均勻恒定磁場中運動重力場中漂移速度所以等離子體中存在一個凈電荷流密度：mg單粒子軌道第30頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動重力場中漂移單粒子軌道第31頁mg單粒子軌道第32頁帶電粒子在均勻恒定磁場中運動除了原來電荷粒子繞導向中心拉莫爾以外，在垂直于電場和磁場方向有一個導向中心漂移運動BF電漂移：重力漂移：導向中心電場漂移速度。與電荷符號無關同向漂移！不產生凈電流與電荷符號相關異向漂移！產生凈電流小結單粒子軌道第33頁習題：對于J-TEXT而言，磁場強度普通為2T，等離子體為H等離子體，