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每天与你一起  指南针之所以能准确指向南方，是因为它利用了地球周围的磁场。地球从南至北分布着一个巨大的磁场，使得指南针中的小磁针在其中自然指向南北方向。这种磁场虽然无形，却像Wi-Fi信号一样，允许磁体间无需接触即可相互影响。地球内部的磁体通过地磁场影响小磁针，确保它始终指向正确方向。 此外，不仅地球内部的磁体，日常生活中的磁铁也能产生磁场。电磁炉和电动机等设备通过电产生磁场，展示了电与磁的密切关系，它们不仅可以相互影响，还能相互转化，为现代科技的发展提供了重要基础。
图片摘自合肥等离子体研究所 磁场为什么可以作容器？ 当带电粒子，如电子或离子，处于磁场的作用范围内时，会发生一种独特的现象：静止不动的带电粒子不会感受到磁场的影响。然而，一旦这些粒子开始运动，磁场就会对它们施加一个力，这个力被称为洛伦兹力。洛伦兹力的大小与粒子的运动速度成正比，也就是说，粒子运动得越快，受到的磁场作用力也就越强。这一现象揭示了磁场与带电粒子运动之间的密切联系，是电磁学领域的一个重要发现。 需要说明的是洛伦兹力是有方向的。如果带电体顺着磁场方向运动，受到的作用力是零。一旦带电体偏离磁场方向运动，就会受到作用力，这个力会把带电体拉回磁场方向。  图片摘自合肥等离子体研究所 “磁容器”怎么制作？ 洛伦兹力的发现为磁场对高温等离子体的控制提供了可能。无论带电粒子的速度如何，只要磁场足够强，它就能引导这些粒子沿着磁力线运动。磁力线是磁场方向的直观表示，它们帮助我们理解磁场如何影响带电粒子。
图片摘自合肥等离子体研究所 等离子体，这种由带负电的电子和带正电的离子组成的带电气体，自然也会受到磁场的调控。对于温度高达一亿度的等离子体，其内部的带电粒子运动速度极快，这就要求我们构建一个极为强大的磁场来实现有效的控制。通过这种方式，磁场不仅能够对等离子体进行有效操控，还能在诸如核聚变研究等领域发挥重要作用。 要有效控制高温等离子体，除了需要强大的磁场外，还需一个真空室。真空室的主要作用是隔热，因为真空能阻止热传导。于是，在“超强磁场”和“超高真空”的联手下，容纳一亿度等离子体的“磁容器”就制成了！而在这种“磁容器'上进行的核聚变研究，人们称之为“磁约束核聚变”。 “磁容器”的形状有哪些？ 磁镜-糖果“磁容器”-形式简单、效果一般的“磁镜” '磁镜'是一种在磁约束核聚变中使用的相对简单的装置。它之所以得名，是因为带电粒子在其中会反复来回运动，其运动路径和特性在磁镜的中心线上呈现出对称性。下文所附的图表展示了磁镜磁场分布的简化模型。
图片摘自合肥等离子体研究所 '磁镜'之所以得名，是因为它具有两端磁场强而中间磁场弱的特性，这种磁场分布形态酷似一颗两端收紧的'糖果'。正是这种独特的磁场布局，赋予了磁镜约束高温等离子体并保持其在装置内往返运动的能力。 仿星器-麻花“磁容器”-形式复杂、效果不错 与结构相对简单的“磁镜”不同，“仿星器”是磁约束核聚变中最为复杂的设计之一。它的磁场分布极为错综复杂，甚至可以形容为“无规律可循”。
图片摘自合肥等离子体研究所 “仿星器”理论上被认为是实现磁约束核聚变最有潜力的方法。然而，其错综的磁场布局给工程实践带来了巨大挑战。观察其类似麻花的磁场形态，我们可以理解为何尽管科学家们持续不懈地研究，该领域的进展仍然相对缓慢。这种复杂的磁场设计，虽然在理论上极具优势，但在实际应用中却需要克服重重困难。 托卡马克-甜甜圈“磁容器”-形式简单、效果最优 '托卡马克'是一种环形磁场分布的设备，它巧妙地规避了'磁镜'中带电粒子往返运动的限制，同时也不像'仿星器'那样具有极其复杂的磁场结构。
图片摘自合肥等离子体研究所 托卡马克的设计起源于20世纪50年代，由苏联莫斯科库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人首次提出。其名称'Tokamak'是由俄语中的环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)和线圈(kotushka)等词汇组合而成的。在中国，我们通常将其音译为'托卡马克'。 至今，托卡马克在核聚变研究领域取得了最为显著的成果，因此被广泛认为是实现磁约束核聚变最有前景的技术路径之一。 |
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