Игорь Максимович Подгорный - Активные эксперименты в космосе

газе взаимодействие между частицами происходит только кратковременно, когда они подлетают друг к другу на малое расстояние. Остальное время частица газа движется прямолинейно, не ощущая поля других частиц. В плазме
каждая заряженная частица взаимодействует непрерывно сразу с полями многих окружающих ее частиц, и
траектория частицы все время меняет свою кривизну.
Такой характер движения обусловлен дальнодействием
кулоновских сил (потенциал заряженной частицы убывает обратно пропорционально расстоянию от нее). Для
того чтобы ионизованный газ приобрел свойства единого целого, связанного самосогласованными электрическими полями, необходимо, чтобы радиус сферы, занимаемый ионизованными частицами, превысил некоторое
критическое значение, называемое дебаевским радиусом
ЯD. Это значение зависит от концентрации заряженных
частиц п и температуры Т и определяет максимальное
расстояние, на которое могут быть разнесены положительные (ионы) и отрицательные (электроны) частицы
за счет теплового движения:

4

Если ввести в плазму посторонний заряд, то ее заряженные частицы перегруппируются таким образом, что
электрическое поле введенного заряда будет полностью
скомпенсировано на расстоянии, большем дебаевского
радиуса.
Несмотря на то что частицы плазмы связаны между
собой самосогласованным полем, иногда для анализа
поведения плазмы достаточно проследить траекторию
отдельной заряженной частицы во внешних электромагнитных полях. Такой метод изучения плазмы носит
название одночастичного приближения. Одночастичное
приближение справедливо тогда, когда движение ионов
и электронов во внешних полях не приводит к накоплению частиц одного знака в определенных участках пространства. Или, как говорят, не создаются электрические поля поляризации.
Рассмотрим наиболее типичные случаи движения заряженных частиц в комбинированных электрическом Е
и магнитном В полях. На частицу, находящуюся в однородном магнитном поле, действует сила
Fm=vXB/c,
перпендикулярная скорости частицы и направлению магнитных силовых линий. Движение под действием силы
F m можно разделить на два независимых движения:
поступательное движение с постоянной скоростью v в
вдоль силовой линии и вращательное движение по окружности радиуса Q = mv±с/еВ («ларморовский» радиус).
Здесь т и е — соответственно масса и заряд частиц,
v ± — с о с т а в л я ю щ а я скорости, перпендикулярная магнитным силовым линиям. Период Т т — о б р а щ е н и е частицы вокруг силовой линии — зависит только от напряженности магнитного поля:
j

_

*т

2птс
D

еВ
Таким образом, в постоянном и однородном магнитном поле частица движется по спирали, ось которой
совпадает с силовой линией, и перемещение частиц поперек силавых линий происходит только за счет столкновений.
Замечательной особенностью
поведения
частицы
5

в магнитном
поле является сохранение
величины
\i = mv2j 2В, т. е. отношения энергии вращательного
движения к напряженности магнитного поля. С другой
стороны: jli—магнитный момент кольцевого тока, возникающего при движении частицы по окружности в
магнитном поле. Магнитный момент
часто называют
адиабатическим инвариантом. Адиабатический инвариант не сохраняется в случае очень быстрых изменений поля по сравнению с Тт или при наличии значительных неоднородностей поля на расстоянии порядка
ларморовского радиуса.
Из сохранения адиабатического инварианта следует,
что частицу в магнитном поле можно рассматривать
как магнитный диполь, обладающий скоростью i/ B , направленной вдоль силовых линий. Как известно, на диполь в магнитном поле действует сила, пропорциональная скалярному произведению магнитного момента на
градиент поля и выталкивающая его из области сильного поля. Попробуем представить себе, как ведет себя
частица в магнитном поле Земли, если ее адиабатический инвариант сохраняется. На рис. 1 изображены

Рис. 1. Часть траектории заряженной частицы в
магнитном поле Земли. По мере приближения
частицы к полюсу она движется во все более и
более сильном поле. Энергия ее вращательного
движения
возрастает,
а
поступательного —
уменьшается. При определенном значении напряженности магнитного поля частица отражается и
начинает двигаться обратно

магнитные силовые линии Земли на не очень больших
от нее --">