yavor1 (553178), страница 101
Текст из файла (страница 101)
В результате заряды испытывают действие ускоряющей силы практически только в катодном темном пространстве, в области анодного свечения они движутся практически равномерно. Электроны, разогнавшись в катодном пространстве, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизация газа. В результате этого в области анодного свечения образуется газоразрядная плазма, проводимость этой области резко увеличивается, а разность потенциалов падает. Энергия, выделяемая молекулами газа при рекомбинации ионов, и есть причина свечения газа. Характер свечения (его цвет) зависит от природы газа, заполняющего трубку. В свою очередь положительные ионы, разгоняясь в темном катодиом пространстве, бомбардируют катод и ударом выбивают из него электроны.
Естественно, что кинетическая энергия иона должна превосходить работу выхода электрона из катода, только в этом случае ион сможет выбить из катода электрон. Согласно (48,10) этого можно достичь либо путем увеличения напр яженности электрического поля, либо путем увеличения длины свободного пробега иона. Разрежение газа как раз и служит этой цели. Тлеющий разряд наблюдается в газосветных лампах.
Неоновые, аргоновые, криптоновые, ртутные и натриевые лампы используются как специальные источники света в лабораториях, а также для рекламы. Заметим, что лампы из кварцевого стекла, заполненные парами ртути, являются источниками ультрафиолетового света. Ионы, бомбардируя катод, вызывают местный разогрев металла на выступах. Последние расплавляются и испаряются. Возникшие 484 пары металла оседают на холодных поверхностях. Этим пользуются для катодного распыления металлов, что позволяет получить очень тонкие и прочные металлические покрытия на разных предметах.
Таким методом получают высококачественные зеркала, полу- посеребренные пластины стекла и т. п. 3. При давлении газа менее 0,0! — 0,02 мм рт. ст. свечение газа в трубке прекращается. Это значит, что соударения электроноа с молекулами газа, ионизация последних и обратный процесс рекомбинации происходят относительно редко. Поэтому основная масса электронов, вылетев из катода и разогнавшись в катодном пространстве, летит далее свободно по инерции. Этим и объясняется тот факт, что электронный пучок в катодной трубке Рис. 48,8, Рис. 48.6. движется прямолинейно н перпендикулярно катоду независимо от положения анода (рис.
48.5). Исторически это был первый метод получения пучка свободных электронов. Крукс, получивший в конце прошлого века эти лучи, назвал их катодными. В настоящее время этот термин сохраняется лишь по традиции и лучи называются электронными. Если поместить катод внутри разрядной трубки и просверлить в нем отверстие (канал), то за катодом можно заметить слабо светящийся пучок (рис.
48.6). Исследования показали, что эти частицы— положительные ионы, разогнанные полем в катодном пространстве и проскочившие по инерции через отверстие в закатодное пространство. Эти лучи называют анодными, закатодными или каналовыми. Анодные лучи представляют собой источник положительных ионов того газа, которым заполнена трубка. Такие источники положительно заряженных ионов применяются в масс-спектрометрах (8 41.8) и в ускорителях (Я 41.4 — 41.6). $48.7. Плазма в магнитном поле 1. В отсутствие магнитного поля плазма ведет себя как обычный газ. Причина заключается в том, что плазма квазинейтральна, даже в достаточно малых (ио не микроскопических) объемах суммарный заряд электронов и положительных ионов равен нулю.
Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля явления в плазме описываются обычными уравнениями гидро- или газодинамики (см. гл. ЗО). Если плазма находится в магнитном поле, то в ее поведении проявляется ряд особенностей, вызванных действием магнитного поги на двнжушиеся заряды. Наука о поведении плазмы, а также других проводящих жидкостей (напрнмер, жидких металлов) в магнитном поле называется магнитной гидродинамикой, а при больших числах Маха (см.
6 30.6) — магнитной гаюдинамикой. В данной книге мы не сможем подробно остановиться на изложении этой новой, весьма интенсивно развивающейся области науки. Рассмотрим лишь некоторые основные понятия. 2. Пусть некоторый объем плазмы-движется со скоростью о поперек силовых линий поля с индукцией В. Тогда в этом объеме, как и а любом проводнике, наводится э.д.с, индукции (6 43.2). Если характерный размер участка плазмы равен 1, то э.д.с. согласно (43.5) равна й(Р= оВ1. Сопротивление участка плазмы К = рИ = 1(у!р = — 1/у1. По закону Ома индуцированный в плазме ток санд='слн"(К 7"В( (48. 13) По правилу Ленца (э 43.8) индуцированный ток взаимодействует с полем тзк, что возникающая сила взаимодействия препятствует перемещению плазмы.
Таким образом, кроме обычных гидродинамических сил, в плазме действуют еще и электромагнитные силы. 3. Точный учет этого взаимодействия связан с большими математическими трудностями. Однако оценить роль тех или иных сил можно с помощью некоторых безразмерных критериев, аналогичных числу Рейнольдса (см. Э 1!.8). Магнитное число Рейнолрдса Ке характеризует отяориение магнитной индукции ноля индуцированных токов к индукции внешнего магнитного ноля: Ке = Вд»»1В. (48. 14) Для оценки этой величины учтем, что Ванд — — ррВ»нд т рррнндЛ, где ! — характерный размер участка плазмы, а индуцированный ток выражается формулой (48.13). Г!одставив, получим Ванд рруоВ( (48.15) Кем = рруо( (48. 16) Значительные магнитные числа Рейнольдса возникают либо прн большой электропроводностн плазмы, либо при значительных характерных размерах и скоростях.
Последнее наблюдается особенно часто в астрономичесних масштабах и имеет большое значение в астрофизике. 4. При больших магнитных числах Рейнольдса (Ке » 1) перемещение плазмы в магнитном поле должно приводить к воаникновенню очень сильного индуцированного мшнитного поля, во много раз превосходящего внешнее магнитное поле. Это требует затраты энергии, которая может быть получена только за счет кинетической энергии плазмы. Следовательно, нндуцированные токи, взаимодействуя с внешним магнитным полем, препятствуют перемещевию плазмы поперек поля.
При Кем >)! может оказаться, что плазма практически не может перемещаться относительно поля. В этом случае говорят, что магнитное псле вморожено в ялазму — перемещение плазмы сопровождается соответствующим изменением магнитного поля, так что плазма не пересекает его силовые линия, Наоборот, если менять внешнее магнитное поле, то прн Ке,»>> 1 плазма станет соответственно перемещаться, чтобы сохранилось условие вмороженности.
Этим пользуются для сжатия и разогрева плазмы с помощью быстро нарастающего магнитного поля, что будет рассмотрено в следующем параграфе. 5. Вторым характерным критерием в магнитной гидродинамике является число Альфеена А1, равное отношению плотности энергии магнитного поля шм= = ВЧ2рр к кинетической энергии единичного объема плазмы, т. е. к плотности кинетической энергии та = рт(2: А1 м тм В (48. !7) тл Рруо х!испо Альфвена можно трактовать и иначе, как отношение давления магнитного полЯ Р =ВЧ2Р» к динамическомУ давлению (или напоРУ) Рднн =Род!2 (см. э 30.16).
6. При малых магнитных числах Рейнольдса возможно перемещение плазмы относительно поля; прн этом возникают магнитные силы, которые можно оценить по закону Ампера (41.15). Подставив в эту 4юрмулу значение нндуцнрованного тона нз (48.13), получим Рм = (В1 — УоВЧз. (48.18) Для оценки этой силы ее сравнивают либо с силой сопротивления тренка Тж Ч1э, либо с силой сопротквлення давлепня Иж рэЧЧ Получим два новых крнтерня число Стюарта )Ч =-Рт(й=тВ 11ро=А( ° Кека (48.
19) число Гартмана На = )7 Г 7Т = В1 Р 77Ч = 'Ггй. Ке. (48.20) Значение этих критериев можно понять нз следующего прнмера. Если жндкость течет по трубе поперек магнитного поля, то прн малых числах Гартмана нлн Стюарта магнитное поле слабо влияет на характер течення, н сопротивление двнженню возннкает в основном нз-за вязкостн жидкости. Наоборот, прн больших числах Гартмана нлн Стюарта вязкость жидкости отступает на второй план, сопротнвленне движению возникает в основном нз-за взанмодействня жидкости с магннтным полем. ф 48.8. Сжатие и удержание плазмы 1. Одна из важнейших задач, которую можно решить с помощью плазмы, это осуществление управляемого термоядерного синтеза (5 82.12).
Термоядерные реакции могут начаться при температурах, не меньших ста миллионов градусов. Ясно, что возникающую прн этом высокотемпературную плазму нельзя удержать ни в каком сосуде. Плазма либо прожжет стенку, либо отдаст ей энергию и охладится. Удержание плазмы возможно лишь с помощью магнитного поля. В самом деле, если магнитное давление р =В*12р, окажется больше давления газа р = пяТ, то магнитное поле удержит плазму. Условие удержания: Вз12ре ) плТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
