Magnetische Flasche

Magnetfeldkonfiguration eines magnetischen Spiegels

Unter einer (idealen) magnetischen Flasche versteht man eine um eine ausgezeichnete Achse rotationssymmetrische Magnetfeldkonfiguration, die an den Enden eine – im Vergleich zum Zentrum – hohe magnetische Feldstärke aufweist. Geladene Teilchen können in einer solchen Konfiguration dauerhaft eingeschlossen werden. Das Magnetfeld einer magnetischen Flasche muss jedoch nicht ideal rotationssymmetrisch sein. Dies ist nur eine Annahme, die es ermöglicht eine analytische Lösung für die Trajektorien geladener Teilchen zu finden. Ein Beispiel für eine magnetische Flasche mit nicht-rotationssymmetrischem Magnetfeld ist das Erdmagnetfeld, das durch den Sonnenwind deformiert wird.

Prinzip

Geladene Teilchen, die sich senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld bewegen, führen aufgrund der Lorentzkraft eine Kreisbewegung in der Ebene senkrecht zum Magnetfeld aus. Der Radius der Kreisbewegung wird als Larmor-Radius bezeichnet, er ist groß für schwache Magnetfelder und klein für starke Magnetfelder.

Haben die Teilchen zusätzlich eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Magnetfeldes, so ergibt sich aus der Überlagerung von Kreisbewegung (senkrecht zum Magnetfeld) und Driftbewegung (in Richtung des Magnetfeldes) eine schraubenförmige Bewegung um die Magnetfeldlinien.

Steigt im Verlauf der Driftbewegung die Stärke des Magnetfeldes allmählich an, so wird der Larmor-Radius kleiner, und das Teilchen führt zunehmend engere Schraubenbewegungen aus. Gleichzeitig verlaufen die magnetischen Feldlinien nicht mehr parallel zur Driftrichtung, sondern aufeinander zu. Damit wirkt auch die Lorentzkraft nicht mehr senkrecht zur Driftrichtung, sondern sie erhält eine Komponente, die gegen die Driftrichtung gerichtet ist. Das Teilchen wird also gegen die Driftrichtung beschleunigt. Infolgedessen wird die Driftbewegung abgebremst, sie kann – je nach kinetischer Energie des Teilchens und Stärke des Magnetfeldes – bis zum Stillstand gebracht werden und schließlich sogar umgekehrt werden: Das Teilchen wird im Hals der magnetischen Flasche 'reflektiert'. Dieser wird auch als magnetischer Spiegel bezeichnet.

Eine magnetische Flasche entsteht durch die Kombination von zwei magnetischen Spiegeln. Geladene Teilchen werden an den magnetischen Spiegeln an den Enden der magnetischen Flasche reflektiert und können so dauerhaft eingeschlossen werden.

Anwendung

Dieses Phänomen ist beispielsweise im Van-Allen-Gürtel der Erde zu beobachten. Der Flaschenhals entsteht hier durch die in Richtung der geomagnetischen Pole ansteigende Stärke des magnetischen Feldes. Im Labor werden solche Konfigurationen auch als Spiegelmaschinen bezeichnet, sie dienen dem Einschluss von Plasmen (siehe Fusion mittels magnetischen Einschlusses).