带电粒子在电磁场中的运动分析.docx

带电粒子在电磁场中的运动分析摘要：粒子轨道理论适用于稀薄等离子体，对于稠密等离子体也可以提供某些描述，但由于没有考虑集体效应，局限性很大。粒子轨道理论基本方法是求解粒子的运动方程。利用粒子轨道运动来描述等离子体的行为的前提是假定磁场和电场是预先确定的，不会受到带电粒子运动的影响。本文主要研究带电粒子在电磁场中的运动分析。关键词：带电粒子;电磁场;运动;分析一、引言金属中的电子气和半导体中的载流子以及电解质溶液也可以看作是等离子体。在地球上，等离子体物质远比固体、液体、气体物质少。在宇宙中，等离子体是物质存在的主要形式，占宇宙中物质总量的99%以上，如恒星（包括太阳）、星际物质以及地球周围的电离层等，都是等离子体。物质的三态（固态、液态和气态）人们早已司空见惯，可是被称为物质第四态的等离子体，尽管占宇宙中可见物质的99%，可是我们对它的认识依然很少。二、理论概述实际上，认识等离子体的运动规律是人类认识自然界，认识地球空间环境，进而冲出地球，走向太空的必要条件。看似神秘的等离子体其实广泛存在于我们的这个世界，从炽热的恒星、灿烂的气态星云、浩瀚的星际间物质，到多变的电离层和高速的太阳风，都是等离子体的天下。21世纪人们已经掌握和利用电场和磁场产生来控制等离子体。最常见的等离子体是高温电离气体，如电弧、霓虹灯和日光灯中的发光气体，又如闪电、极光等。简单的将等离子体分类，可以认为等离子体是由电子、离子以及未电离的中性粒子组成，宏观上呈现准中性。单粒子轨道运动作为描述等离子体运动状态中最简单的一种，即在给定的电磁场中的运动，我们只考虑单个粒子在场中的运动，而忽略离子间的相互作用以及粒子对场的反作用。粒子轨道理论适用于稀薄等离子体，对于稠密等离子体也可以提供某些描述，但由于没有考虑集体效应，局限性很大。粒子轨道理论基本方法是求解粒子的运动方程。利用粒子轨道运动来描述等离子体的行为的前提是假定磁场和电场是預先确定的，不会受到带电粒子运动的影响。二、认识等离子体三、单粒子轨道运动带电粒子在电场中，它所受的力是通过电场实现的，电场是矢量，既有大小又有方向。电场的方向和大小与电子无关。在均匀电场中，任何位置的场强大小和方向相同。在特殊的情况下，带电粒子的运动只有两种。一是粒子的初速度平行射入电场，二是带电粒子垂直射入电场。当带电粒子平行射入电场时，带电粒子由于电场作用，它所受的电场力与初速度方向平行，所以电子做的是变速直线运动。当电子垂直射入电场时，由于带电粒子的初速度与电场方向垂直，带电粒子在电场中运动会发生偏转，它做的是类平抛运动。迄今为止，理论上描述等离子体的运动状态有三种方法。第一种是单粒子轨道运动，这是最简单的一种，即在给定的电磁场中的运动，不考虑带电粒子运动对场的反作用以及带电粒子间的相互作用。这种方法能给出带电粒子运动的直观物理图像，是进一步了解复杂运动的基础。本文着重讨论带电粒子在电磁场中的运动规律，针对带电粒子处于均匀电磁场环境，研究特殊情况和一般情况下带电粒子的运动学特性。带电粒子在磁场中运动，要受磁场的力，但是磁场是如何作用于它的？如图4是一个阴极射线管。阴极射线管是一个真空放电管，在它两个电极之间加上高电压时，就会从它的阴极发射出电子束来。这样的电子束即所谓阴极射线。电子束本身是不能用肉眼观察到的，为此在管中附有荧光屏，电子束打在荧光屏上将发出荧光，这样我们就可以看到电子的轨迹。没有磁场时，电子束由阴极发出后沿直线前进。如果早阴极射线管旁放一根磁棒电子束就会偏转。这表明电子束受到了磁场的作用力。如图4是是将磁铁的N极垂直地靠近阴极射线管一侧的情形，这时磁场是沿水平方向的。从电子束偏转的方向可以看出，它受到的力是向下的。应当指出，由于洛伦兹力的方向总是与带电粒子速度的方向垂直，洛伦兹力永远不对粒子做功。它只改变粒子运动的方向，而不改变它的速率和动能。现在我们了解了带电粒子在磁场中的受力，我们分两种情况来讨论带电粒子在均匀磁场中的运动。带电粒子在电场中，它所受的力是通过电场实现的，电场是矢量，既有大小又有方向。电场的方向和大小与电子无关。在均匀电场中，任何位置的场强大小和方向相同。在特殊的情况下，带电粒子的运动只有两种。一是粒子的初速度平行射入电场，二是带电粒子垂直射入电场。当带电粒子平行射入电场时，带电粒子由于电场作用，它所受的电场力与初速度方向平行，所以电子做的是变速直线运动。当电子垂直射入电场时，由于带电粒子的初速度与电场方向垂直，带电粒子在电场中运动会发生偏转，它做的是类平抛运动。