ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 90
Скачиваний: 0
Исследования |
шаровой молнии |
181 |
силовых линий создается |
большее магнитное |
давление, |
а это ведет к дальнейшему сжатию. Быстрое нарастание магнитного поля около места сужения в свою очередь индуцирует сильное электрическое поле, как показано на рис. 23, в, которое может быть значительно сильнее внешних полей. Это поле иногда является причиной по явления частиц, обладающих большей энергией, чем предполагалось получить в таких экспериментах с плаз мой, нагрев которой мог быть достаточным для возникно вения кратковременных термоядерных реакций. В процес се образования плазменного столба магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра, оказывается вморо женным в плазму. Оно обеспечивает тогда устойчивость против деформации типа перетяжек, поскольку напря женность поля возрастает в месте наибольшего сужения. Те же неустойчивости (а также некоторые другие), види мо, могут иметь место и в разрядах молний. Предпола гается, что, например, подобные процессы играют опреде ленную роль в образовании четочной или шаровой мол нии из линейного разряда.
Из всех колебаний и деформаций, типичных для плазменного цилиндра, в кольце чаще всего встречается изгиб [474]. Хотя возможность использования магнитного поля, достаточно сильного для удержания любой высо котемпературной плазмы, породила идею об удержании плазмы в кольце, внутреннее давление в котором превос ходит внешнее, стабильность против обменной неустойчи вости имеет место только при малых относительных дав лениях плазмы [266]. Эксперименты с плазмой в торои дальной камере с сильным внешним магнитным полем' показали, что устойчивость к таким деформациям наблю дается лишь в том случае, если радиус тора и ток через плазму достаточно малы, хотя в это время кольцо плаз мы смещается в экспериментальной камере в результате обычного дрейфа поперек поля [132]. Обменной неустой-, чивости можно избежать в случае магнитного поля с от рицательной кривизной силовых линий, если плазма об ладает достаточно низкой по сравнению с внешним полем энергией [275]. Сложнее обстоит дело с другими неустойчивостями, такими, например, при которых разви ваются электростатические колебания вдоль силовых ли-
182 |
Глава 8 |
ний [276, 559]. Подходящим образом подобранные давле ние, магнитное поле и радиус кривизны тороидальной оболочки могут препятствовать также развитию неустой чивости, порождаемой компонентой тока вдоль поля [559]; однако более важный вопрос об отсутствии истин ного равновесия в тороиде при реально осуществимых ус ловиях остается открытым [185]. При подробном анализе свойств плазмы, связанных с ее удержанием, выявля ются многочисленные трудности создания правдоподоб ной модели плазменного кольца.
Теоретическое исследование свойств проводящей сфе ры, рассматриваемой как некоторая равновесная струк тура во внешнем электромагнитном поле, привело к вы воду, что можно добиться ее устойчивости к малым де формациям [589]. Внешнее электрическое поле вообще вызывает неустойчивости, и магнитное поле у поверхно сти должно превосходить его в определенное число раз, зависящее от характера возможной деформации. При возмущении поверхности сферы происходит концентрация внешнего магнитного поля в углублениях и уменьшение его напряженности у выступающих частей, что приводит к изменениям магнитного давления, способствующим развитию деформации.
Однако деформации скручивания, при которых маг нитное давление увеличивается, приводят к общей стаби лизации. Волновые компоненты препятствуют развитию неустопчивостей, связанных с взаимодействием плазмы и магнитного поля. Вращение поля делает сферу устойчи вой к малым деформациям. Эта модель была неполной в смысле описания конкретных характеристик самой плаз мы, по сравнению, например, с моделями плазмы в торои дальных трубках. При соответствующих скоростях, дав лениях и плотностях плазмы и подходящих соотношениях между полями исследовались электромагнитные и акусти ческие колебания в нейтральной или заряженной плаз менной сфере [590].
Были исследованы электростатические ионные коле бания в плазме сферической конфигурации, образован ной за счет мощного электромагнитного излучения с час тотой 15 МГц в стеклянной камере.
Колебания происходили на частотах от 82 до 260 кГц,
|
|
Исследования |
|
шаровой молнии |
183 |
а |
скорость |
примерно |
соответствовала |
формуле |
|
v= (3kTe/irii)'/2, |
где |
Те — температура |
электронов, |
||
піі — масса иона. Эксперимент проводился с |
различными |
газами: кислородом, азотом, водородом, неоном, парами ртути [172].
Образование светящихся сгустков плазмы при разря-
-дах переменного тока уже давно привлекало к себе вни мание [582]. Такая высокотемпературная плазма иссле дуется обычно для газов, находящихся в стеклянных ка мерах при пониженном давлении, причем разряд возника
ет в поле индукционной катушки или между электродами
без |
гальванической связи с источниками |
тока, отчего |
|||
его |
называют |
безэлектродным |
разрядом |
[201]. В этих |
|
образованиях |
с низкой концентрацией заряженных |
час |
|||
тиц |
внешнее поле может управлять движением электро |
||||
нов, вызывать |
ионизацию за счет их столкновений |
с мо |
|||
лекулами газа |
и - генерировать |
тем самым |
плазму. |
Этот |
процесс происходит при самых разных частотах (скажем, от 50 до 108 Гц [27]. Сообщались качественные характе ристики этих разрядов, полученных при мощностях от Ю - 2 до 10~3 Вт/см3 и при давлениях до атмосферного. Были получены холодные разряды с микроамперными токами и разряды типа дуги при токах в сотни ампер и мощностях порядка сотен киловатт. Цвет разрядов в ат мосферных газах при частотах порядка мегагерц изменя
ется |
с |
изменением |
давления |
от розовато-красного при |
|||||
нескольких |
мм рт. ст. и желто-белого |
при |
|
10 мм рт. ст. |
|||||
до огненно-оранжевого при |
нескольких |
см рт. ст. При |
|||||||
частоте |
62 МГц цвет |
изменялся |
от розово-красного при |
||||||
5 мм рт. ст. до лилового или |
красно-бурого, |
зеленого и, |
|||||||
наконец, оранжево-белого при |
давлении |
более 400 мм |
|||||||
рт. ст. Эти |
разряды |
изучались |
для |
выяснения харак |
|||||
тера |
тока |
в области |
свечения, |
а не |
для |
изучения со |
става, энергии и распределения заряженных частиц, что могло бы представить интерес с точки зрения физики плазмы.
Разряды в полях с частотами порядка мегагерц ис пользовались как источники в плазменных горелках [106, 421]. Индукционная катушка, окружающая подводя щую газ трубку, создает плазменный факел, устойчиво горящий и при атмосферном давлении. В плазменных
184 |
|
|
Глава |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
горелках |
|
достигается |
темпера |
|||||||
|
|
|
тура |
до |
|
19 000 |
К |
при |
мощно |
||||
|
|
|
сти |
3,1 |
кВт. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
В цилиндрической |
установ |
|||||||||
|
|
|
ке, показанной на рис. 24, был |
||||||||||
|
|
|
получен |
при |
низком |
давлении |
|||||||
|
|
|
светящийся |
быстро |
вращаю |
||||||||
|
|
|
щийся |
голубой |
диск. |
|
Разряд |
||||||
|
|
|
образовался |
в |
электрическом |
||||||||
|
|
|
поле |
100 |
|
В/см |
при |
давлении |
|||||
|
|
|
0,5 мм рт. ст., вращение созда |
||||||||||
|
|
|
валось |
за счет |
действия маг |
||||||||
|
|
|
нитного |
поля |
6000 Гс, |
направ |
|||||||
Р и с. 24 |
Сверхзвуковая вра |
ленного по оси цилиндра. Ско |
|||||||||||
рость |
вращения |
составляла |
|||||||||||
щающаяся дуга. |
|
||||||||||||
/ — а н о д , |
2 — с в е т я щ и й с я |
д и с к 17 000 |
об/с. |
Скорости |
газа |
||||||||
3 — к а т о д , |
4 — с л ю д я н о й |
ци |
1,3—2-Ю |
5 |
см/с |
измерялись с |
|||||||
|
л и н д р . |
|
|
||||||||||
|
|
|
помощью введения в поток га |
||||||||||
|
|
|
за с характерным |
свечением |
и измерения силы воздействия потока на помещенную в него вольфрамовую пластинку. Разряд происходил при низкой температуре, менее 600° С, хотя подводилась до вольно большая мощность — 0,5 кВт/см [136].
Сообщалось об эксперименте, когда подобная враща ющаяся плазма в «плазменном конденсаторе» являлась аккумулятором энергии. В этом эксперименте аргон при давлении 0,4 мм рт. ст. в короткой цилиндрической каме ре с проводящими стенками и центральным электродом был подвергнут воздействию короткого разряда напря жением 6 кВ. В магнитном поле 18 000 Гс, направленном Е Д О Л Ь оси цилиндра, плазма была приведена в быстрое вращение при токе до 200 кА.
Более сложные поля для удержания плазмы, как, на пример, октупольное магнитное поле, образованное че тырьмя большими кольцами в тороидальной камере квад ратного сечения, были способны удерживать плазму с энергией ионов 100 эВ и электронов 10 эВ [133]. Плот ность плазмы постепенно уменьшалась, предположитель но из-за потерь на опорах колец, без видимой неустойчи вости. Потерь плазмы можно избежать с помощью маг нитного подвешивания колец [437].
Исследования шаровой молнии |
185 |
Иногда предлагалось использовать сочетание отдель ных цепей и таких собственных полей плазмы, при которых возможно самоудержание, в частности в тороидаль ных конфигурациях. Однако рассмотрение общего содер жания энергии в плазме вновь и вновь приводило к выво ду, что негравитирующий плазменный сгусток не может существовать как некоторая замкнутая равновесная структура [474]. Таково следствие условий, необходимых для устойчивого равновесия замкнутой плазменной систе мы, в которой энергия гравитационного, электрического и магнитного полей и внутренняя энергия плазмы долж ны уравновешиваться согласно теореме о вириале:
G + E + M + U = 0.
При отсутствии тяготения (G=0) равновесие в замк нутой системе невозможно. Но в работе [174] было вновь указано на возможность самоудержания плазмы, причем
возражение |
было |
основано и а |
том, |
что надо рассматри |
|||
вать плазму |
как |
совокупность |
дискретных |
заряженных |
|||
частиц, |
а не |
как |
непрерывную |
жидкость — в таком слу |
|||
чае ее электромагнитная |
энергия |
может |
быть отрица |
||||
тельна. |
В любой |
нейтральной в целом плазме энергия |
|||||
заряженных |
частиц в |
электромагнитном |
поле положи |
тельна. Если бы эта часть общей энергии могла быть от рицательной и достаточной для компенсации кинетиче ской энергии, то было бы возможно существование равновесного плазменного сгустка. Выдвигалось предпо ложение о наличии отрицательной электромагнитной энергии в совокупности заряженных частиц.
Теория плазмы и экспериментальные исследования не в состоянии объяснить образование длительно существу ющего плазменного сгустка в естественных условиях. По-видимому, обязательными для образования любой структуры из плотной высокотемпературной плазмы яв ляются мощные и сложные внешние поля.
М. Плазменные модели шаровой молнии
Некоторые исследования плазмы предпринимались первоначально для изучения проблемы шаровой молнии. Плазма с высокой плотностью заряженных частиц рас-