Магнитное зеркало — 2/4. Куда девается энергия?

В прошлой части мы оставили электрон, летящий в область усиливающегося магнитного поля. Его движение вдоль поля постепенно замедляется, в какой-то момент останавливается, и электрон летит обратно.

Но магнитное поле работы не совершает. Значит, энергия электрона меняться не может. Как тогда может исчезнуть его движение вперёд?

Разложим импульс электрона на две части. pL — импульс вдоль магнитного поля, pT — поперёк него. pT отвечает за вращение электрона вокруг силовой линии.

В однородном магнитном поле обе компоненты постоянны, и электрон движется по обычной спирали с неизменными радиусом и шагом.

Если же поле меняется достаточно медленно — так, чтобы за один оборот электрон видел лишь небольшое изменение B, — оказывается, что сохраняется величина

pT²/B ≈ const.

Это адиабатический инвариант.

Поэтому при усилении магнитного поля растёт поперечный импульс. Но полная энергия частицы не меняется, поэтому одновременно уменьшается pL. Электрон не теряет скорость: меняется направление его движения!

Всё большая часть импульса оказывается направлена поперёк магнитного поля. В зеркальной точке pL = 0. Дальше pL меняет знак, и электрон начинает двигаться обратно.

Энергия никуда не исчезла. Изменилось только соотношение между продольным и поперечным движением.

Отразится ли любой электрон?

Нет. Всё зависит от того, под каким углом α частица вошла в область магнитного поля. Например, при α = 30° частица отразится, когда поле усилится в 4 раза. А при α= 10° потребуется усиление поля примерно в 33 раза.

Чем ближе частица летит к направлению магнитного поля, тем труднее её отразить.

Магнитное зеркало это не просто забавное физическое явление. Эти зеркала можно найти в самых неожиданных места: в лаборатории, космосе, звездах.

Кое о чем из этого — в следующей части.

1 • 2 • 3 • 4