Magnetische Flaschen und magnetische Linsen

Physikalische Grundlagen

Bewegen sich geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen) im magnetischen Feld, so wird auf diese Teilchen eine Kraft, die LORENTZ-Kraft, ausgeübt. Für diese Kraft gilt:
$\begin{array}{l}\overrightarrow{F}=Q\cdot (\overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B})\text{oder}F=Q\cdot v\cdot B\cdot \sin \sphericalangle (\overrightarrow{v},\overrightarrow{B})\\ Q\text{Ladung des Teilchens}\\ v\text{Geschwindigkeit des Teilchens}\\ B\text{magnetische Flussdichte}\end{array}$
Beträgt der Winkel zwischen Geschwindigkeit und magnetischer Flussdichte 0° oder 180°, dann ist die Kraft null. Die Bewegung wird nicht beeinflusst. Bei jedem anderen Winkel wirkt auf die geladenen Teilchen im Feld eine Kraft, deren Richtung mit der Linke-Hand-Regel oder der Rechte-Hand-Regel ermittelt werden kann. Ausführliche Hinweise dazu sind unter dem Stichwort „ LORENTZ-Kraft “ zu finden.
Erfolgt die Bewegung der Teilchen in einem homogenen Magnetfeld senkrecht zu den Feldlinien (Geschwindigkeit und magnetische Flussdichte stehen senkrecht zueinander), dann bewegen sich die Teilchen auf Kreisbahnen, weil die LORENTZ-Kraft als Radialkraft wirkt (Bild 1 links).
Erfolgt die Bewegung unter einem beliebigen anderen Winkel, so bewegen sich die geladenen Teilchen auf einer spiralförmigen Bahn. Das Zustandekommen einer solchen Bahn ist unter dem Beitrag „Geladene Teilchen in magnetischen Feldern“ erläutert.

Magnetische Flaschen

Wie oben dargestellt, bewegt sich ein geladenes Teilchen bei einem beliebigen Winkel zwischen Geschwindigkeit und magnetischer Flussdichte (Richtung der Feldlinien) in einem homogenen Magnetfeld auf einer spiralförmigen Bahn. Wird das Feld in Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen stärker, dann treten zwei Effekte auf:

1. Der Radius der Spiralbahn wird kleiner, da im stärkeren Feld eine größere LORENTZ-Kraft wirkt (Bild 2).
2. Es wirkt eine rücktreibende Kraft, die eine Umkehr der Bewegungsrichtung des geladenen Teilchens bewirkt.

Demzufolge pendeln die geladenen Teilchen bei einer entsprechenden Anordnung des magnetischen Feldes zwischen zwei Punkten hin und her, werden also durch das magnetische Feld eingeschlossen. Eine solche Anordnung bezeichnet man als magnetische Flasche.
Magnetische Flaschen werden besonders dort angewendet, wo man vermeiden will, dass Teilchen mit den Wänden eines Gefäßes in Berührung kommen. So kann man z.B. in einer magnetischen Flasche Hochtemperaturplasma erzeugen und „aufbewahren“. Solchen Plasmen sind bei experimentellen Untersuchungen zur gesteuerten Kernfusion von großen Interesse. In der Fusionsforschung werden heute vorrangig Anlagen vom Typ „Tokamak“ genutzt. Bei ihnen wird das zum Einschluss von Plasma erforderliche Magnetfeld teils durch äußere Spulen, teils durch einen starken toroidalen Plasmastrom erzeugt. Die Bezeichnung kommt aus dem Russischen und ist eine Abkürzung für „toroidalnaya kamera sz magnitnimi katuschkami“ (toroidale Kammer mit Magnetspulen)

Ein Einschluss von geladenen Teilchen tritt auch im Magnetfeld der Erde auf: Aus dem Weltraum treffen ständig elektrisch geladenen Teilchen (Sonnenwind) auf die äußeren Schichten der Atmosphäre. Diese geladenen Teilchen werden durch das Magnetfeld der Erde abgelenkt. Sie bewegen sich auf spiralförmigen Bahnen um die Feldlinien des Erdmagnetfeldes (Bild 3). In der Nähe der Pole wird das Erdmagnetfeld stärker. Es kommt zu einer Umkehr der Bewegungsrichtung und damit insgesamt zu einem „Pendeln“ der geladenen Teilchen längs der Feldlinien des Erdmagnetfeldes, ohne dass die Teilchen die Erde erreichen. Diese Strahlungsgürtel der Erde, die der amerikanische Physiker J. VAN ALLEN 1958 aus Messungen von Erdsatelliten entdeckte, befinden sich in Höhen von 1000 km bis 6000 km bzw. 15.000 km bis 25.000 km über der Erdoberfläche. Diese zwei Strahlungsgürtel werden nach ihrem Entdecker auch als VAN-ALLEN-Gürtel bezeichnet.

Magnetische Linsen

Die Beeinflussung von bewegten geladenen Teilchen durch Magnetfelder kann auch genutzt werden, um Anordnungen zu schaffen, die auf Elektronen oder andere geladene Teilchen ähnlich wie eine optische Linse wirken. Man spricht dann von einer magnetischen Linse, die z.B. bei Elektronenmikroskopen oder Fernsehbildröhren angewendet wird.
Man verwendet dazu Spulen, die inhomogene rotationssymmetrische Magnetfelder haben. Elektronenstrahlen, die von einem Punkt ausgehen, werden durch ein solches Magnetfeld so abgelenkt, dass sie wieder zu einem Punkt zusammenlaufen. Damit wirken solche Magnetfelder auf Elektronenstrahlen wie optische Linsen auf Licht. Man spricht deshalb in Analogie zur Optik von magnetischen Linsen.