电场引起的漂移速度推导

带电粒子在正交的电磁场中运动时,会产生电漂移。设磁场为 B \vec{B} ,电场为 E \vec{E} ,且 B E \vec{B}\bot\vec{E} ,它们在空间中均匀恒定地分布。带电粒子的质量为 m m ,电荷量为 q q ,其速度为 v \vec{v} 。将粒子运动速度分解为垂直磁场的运动速度与平行磁场的运动速度,即
v = v + v \vec{v}=\vec{v}_{||}+\vec{v}_{\bot}

在非相对论情况下,有牛顿运动方程

m d v d t = q ( E + v × B ) m\frac{d\vec{v}_{\bot}}{dt}=q(\vec{E}+\vec{v}_{\bot}\times\vec{B})

选取这样一个惯性参考系 K K ,它的运动速度为 v E \vec{v}_{E} ,带电粒子在这个惯性参考系下感受到的电场为零。令
v = v \vec{v}_{||}^{'}=\vec{v}_{||}

v = v E + v \vec{v}_{\bot}=\vec{v}_{E}+\vec{v}_{\bot}^{'}

其中 v \vec{v}_{\bot}^{'} 为粒子在惯性参考系 K K 下的运动速度。
在惯性参考系 K K 下,粒子感受到的电场
E = E + v E × B = 0 \vec{E}^{'}=\vec{E}+\vec{v}_{E}\times\vec{B}=0

在上式右侧叉乘磁场 B \vec{B} ,并由
( a × b ) × c = b ( a c ) a ( b c ) (\vec{a}\times\vec{b})\times\vec{c}=\vec{b}(\vec{a}\cdot\vec{c})-\vec{a}(\vec{b}\cdot\vec{c})

可得漂移速度
v E = E × B B 2 \vec{v}_{E}=\frac{\vec{E}\times\vec{B}}{\left| \vec{B} \right| ^2}

粒子在惯性参考系 K K 下的运动方程为
m d v d t = q v × B m\frac{d\vec{v}_{\bot}^{'}}{dt}=q\vec{v}_{\bot}^{'}\times\vec{B}

该方程即为粒子在匀强磁场中的运动方程。

v E \vec{v}_{E} 小于光速的情况下,参考系 K K 总是存在的。若计算出来的 v E \vec{v}_{E} 大于光速,则无法找到这样的惯性参考系 K K 。即电场 E \vec{E} 不能太大,必须保证 v E \vec{v}_{E} 小于光速。

由电场引起的漂移有以下几个特点:

  • 与带电粒子的电荷符号、质量、能量无关。从 v E \vec{v}_{E} 的表达式可以看到,它只和磁场与电场有关。
  • 对于正电荷和负电荷, v E \vec{v}_{E} 的方向都相同,从而电场漂移不会产生电流。
  • 粒子的导向中心(粒子在参考系 K K 下做圆周运动的圆心)沿着电场的等势线运动,电场不做功,不改变粒子的能量。
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