Плазма – четвертое состояние вещества

   В «хвосте» максвелловского распределения  найдутся электроны, движущиеся с такой  большой скоростью, при которой  столкновения электронов с ионами не играют большой роли. Тогда, освободившись  от сил, препятствующих движению, электрон начинает ускоряться электрическим  полем. И чем большую скорость приобретают электроны, тем меньшее  сопротивление своему движению они  испытывают и, следовательно, ускоряются еще больше: электроны все дальше и дальше «убегают» из «хвоста» максвелловского  распределения. В этом и состоит  явление «просвиста» электронов в плазме. 

   Б) Плазма в магнитном поле. 

   Как удержать плазму?

   Если  создать однородное магнитное поле внутри прямой трубы, то заряды будут  виться вокруг линий индукции магнитного поля, перемещаясь только вдоль трубы

(рис. 6).

Рис.6

   Чтобы предотвратить уход частиц через  концы трубы, - первое, что приходит в голову, - надо соединить оба  конца трубы, т. е. согнуть трубку в «бублик». Труба такой формы называется тором. Можно предположить, что найдена ловушка заряженных частиц плазмы. Но стоит более внимательно приглядеться к данной ловушке, названной тороидальной магнитной ловушкой.

   Прежде  всего, линии индукции в этой ловушке  являются не прямыми линиями, а окружностями. Это значит, что нужно ожидать  центробежного дрейфа частиц к стенкам  ловушки. Далее, магнитное поле создается  внутри тора с помощью намотанной на него проволочной катушки, по которой  пропускается ток. По необходимости  витки с током располагаются  ближе друг к другу на внутренней окружности тора, чем на внешней. Поэтому  индукция магнитного толя увеличивается  от внешней окружности тора к внутренней, т. е. индукция магнитного поля изменяется в направлении, перпендикулярном линиям индукции. Это значит, что нужно  ожидать градиентного дрейфа частиц к стенкам ловушки.

Рис.7

   Как видно из рис.7, на котором изображен разрез тороидальной ловушки, и градиентный, и центробежный дрейфы вызывают движение зарядов одного знака в одну и ту же сторону (положительные заряды дрейфуют вниз, а отрицательные - вверх). Возникает разделение зарядов: вверху образуется избыток отрицательных зарядов, а внизу - положительных. Это приводит к появлению электрического поля, которое перпендикулярно магнитному полю. А возникшее электрическое поле вызывает электрический дрейф частиц, и плазма как целое устремляется к наружной стенке - и гибнет. Итак, надежды удержать плазму в простой тороидальной ловушке не оправдываются.

   Оказывается, замкнутой ловушке плазмы лучше  придать форму восьмерки. Такая  ловушка плазмы называется стелларатором от слова «стеллар» — звездный.

   В ней надеялись воспроизвести  условия для термоядерных реакций, какие имеются на звездах (высокая  температура).

   Магнитные «бутылки» и «пробки»

   Итак, чтобы плазма не ускользала через  концы прямой трубы, надо ее согнуть  в «бублик» и создать в ней, винтовое магнитное поле. А нельзя ли в прямой трубе просто «заткнуть» ее концы какими-нибудь «пробками»? Ясно, что ни один материал для этой цели не подойдет, потому что он мгновенно  испарится при тех колоссальных температурах, которые должна иметь  термоядерная плазма. Значит, нужно  подобрать невидимые, но крепкие  магнитные пробки. Такие «пробки» действительно существуют. Ловушку  с магнитными пробками называют «пробкотроном».

Рис.8 

     Представьте себе магнитное поле с линиями индукции, напоминающими горлышко бутылки (рис. 8). Пусть Z — ось симметрии магнитного поля. Разложим вектор индукции В магнитного поля в некоторой точке А на две составляющие: параллельно оси Z—В_II и перпендикулярную ей — В_┴ Если положительно заряженная частица движется перпендикулярно оси Z, то под действием составляющей поля В_II она будет вращаться по циклотронной окружности. Но вращающийся заряд представляет собой круговой ток, который находится в магнитном поле В_┴. Это поле действует по закону Ампера на ток с силой, направление которой можно определить по правилу правого винта (рис. 8). В точке А ток направлен внутрь страницы. Поэтому сила Ампера направлена вправо, в сторону уменьшения поля. Так же вправо действует сила и в любой другой точке кругового тока. Таким образом, неоднородное магнитное поле стремится вытолкнуть циклотронный кружок в сторону ослабления поля (рис. 8). Вращающийся электрон выталкивается в ту же сторону. Дело в том, что в магнитном поле электроны и положительные ионы вращаются в противоположные стороны. Поэтому соответствующие им токи имеют одинаковые направления (движению электрона в каком-то направлении соответствует электрический ток в противоположном направлении). Следовательно, и электронный, и ионный циклотронные кружки выталкиваются в одну и ту же сторону.

   Всякий  круговой ток создает вокруг себя собственное магнитное поле, направление  которого определяется по правилу правого  винта. Значит, и циклотронный кружок, создавая такое поле, обладает свойствами магнита. Его можно характеризовать  магнитным моментом. Численное значение магнитного момента определяется по формуле

   M=IS,

   где I— сила тока, S — площадь, ограниченная контуром с током (площадь циклотронного кружка).

   Оказывается, что если скорость частицы перпендикулярна  магнитному полю, то магнитный момент ее циклотронного кружка равен отношению  кинетической энергии частицы к  индукции магнитного поля: 

   Если  же скорость частицы направлена под  каким-то углом α к силовым  линиям магнитного поля, то в данную формулу надо вместо полной скорости v подставить «поперечную» составляющую скорости частицы 
 

   «Продольная»  составляющая скорости 
 

Рис.9 

приводит  к движению заряда вдоль линий  индукции магнитного поля (рис. 9). Таким образом, более общей является формула 

  Оказывается, что когда магнитное поле является слабо неоднородным (рис. 8), то

величина  магнитного момента частицы, движущейся в таком поле, остается постоянной. Из постоянства магнитного момента вытекают интересные и очень важные выводы. Представьте себе, что частица движется в слабо неоднородном магнитном поле в сторону увеличения его индукции. Тогда из-за того, что магнитный момент остается постоянным, поперечная составляющая вектора скорости должна увеличиваться. Но мы уже говорили, что в магнитном поле величина скорости частицы v не изменяется. Поэтому должен увеличиваться угол α. Но тогда продольная составляющая скорости будет уменьшаться (cosα уменьшается с увеличением угла α). Следовательно, когда заряженная частица движется в магнитном поле в сторону увеличения его индукции, ее поперечная скорость увеличивается, а продольная скорость v_II уменьшается. При этом в каком-то месте магнитного поля продольная скорость v_II может стать равной нулю. Это произойдет при α = 90° (cosα = 0). Тогда поперечная скорость становится максимальной:. Но если продольная скорость равна нулю, то это означает, что частица перестает двигаться вдоль линий индукции магнитного поля, а только вращается по циклотронной окружности со скоростью . Но ведь циклотронный кружок находится в неоднородном магнитном поле! Это приводит, как мы уже знаем, к тому, что кружок выталкивается в область с меньшей индукцией магнитного поля. Таким образом, бутылкообразное магнитное поле «закупорено» магнитной «пробкой»; частицы не могут выскочить через «горлышко» этой «бутылки». Если с обеих сторон прямой трубы создать магнитное поле бутылкообразного типа, то она будет закупорена магнитными «пробками». Получается магнитная ловушка заряженных частиц. Магнитные «пробки» иногда называют магнитными зеркалами. От них, как от зеркал, отражаются заряженные частицы.

   А как получить магнитное поле бутылкообразного типа? Вспомним, что для получения  однородного магнитного поля нужно  взять длинную катушку с равномерным  распределением витков и пропустить по ней ток. А чтобы получить магнитное  поле в пробкотроне, берут катушку  с неравномерным распределением витков - на концах катушки витки  проволоки располагаются гуще, чем  в середине. Можно также на концы  длинной катушки насадить две  дополнительные катушки для усиления там магнитного поля. Это изображено на рис.10.

Рис.10 

   Итак, магнитное поле в пробкотроне  способно удерживать заряженные частицы. Но все ли частицы оно удерживает? Сразу ясно, что если какая-то частица  имеет только продольную скорость v_II, а поперечная скорость v_┴ равна нулю, то магнитные пробки ее не удержат! Она беспрепятственно покинет ловушку. Ведь на частицу, движущуюся вдоль силовых линий, магнитное поле не действует! Таким образом, магнитное поле «закупорено» неодинаково для частиц с разными направлениями скорости. Чем больше поперечная скорость частицы по сравнению с продольной, тем лучше действуют в отношении этих частиц магнитные «пробки». Другими словами, пробочное действие магнитного поля зависит не только от изменения напряженности поля, но и от соотношения между v_┴ и v_II, т.е. от угла α между скоростью частицы и направлением линий индукции поля.

   Анализ  показывает, что если В_m — наибольшая величина индукции магнитного поля, то все частицы, для которых 
 

   хорошо  «закупорены» в ловушке, а частицы, для которых 

   могут просачиваться через магнитные  пробки.

   Если  бы частицы не сталкивались друг с  другом, то все частицы, удовлетворяющие  второму неравенству, покинули поле, и в ловушке остались бы лишь частицы, которые она прочно удерживает. В действительности же из-за столкновений между частицами со временем все большее число их удовлетворяет второму неравенству. Это приводит к постепенному, но непрерывному уходу частиц из ловушки. В конце концов ловушку должны покинуть все частицы. Имеются и другие трудности удержания плазмы в пробкотроне. О некоторых из них будет написано далее.

   Плазменное  покрывало Земли

   С помощью первых искусственных спутников  Земли было обнаружено, что вокруг Земли имеется слой (пояс) содержащий большое число заряженных частиц. Существование этого пояса можно  объяснить примерно так. Земля представляет собой гигантский магнит, поэтому  в космическом пространстве вокруг Земли имеется магнитное поле, линии индукции которого схематически изображены на рисунке 11. Такое поле очень похоже на поле в магнитной  ловушке. Заряженные частицы космического происхождения, летящие к Земле, захватываются, как ловушкой, ее магнитным  полем и там довольно долго  удерживаются. Возможно, так и образован  этот пояс. Таким образом, магнитное  поле Земли служит как бы гигантским покрывалом, оберегающим жизнь на Земле от очень вредного космического излучения. С другой стороны, радиационный пояс очень опасен для космических  полетов человека.

Рис.11 

     Искусственные спутники обнаружили, что вокруг Земли имеются две зоны с повышенной интенсивностью излучения: внутренняя и внешняя. Внутренняя зона начинается на высоте 500—600 км и простирается до расстояний порядка радиуса Земли (около 6 тыс. км). Внешняя зона в экваториальной плоскости начинается на расстоянии около 20 тысяч км от центра Земли и простирается до 60 тысяч км. Границы зон совладают с соответствующими линиями индукции магнитного поля Земли.

   Из  чего состоят эти зоны? Как показали исследования с помощью искусственных  спутников, состав их различен: внутреннюю зону в основном составляют протоны  с высокой энергией, а внешнюю  — высокоэнергетические электроны. Заряженные частицы, двигаясь по винтовым линиям вокруг линий индукции магнитного поля Земли, совершают колебания  от одного магнитного полюса Земли  к другому (вблизи магнитных полюсов  Земли находятся магнитные пробки). Кроме того, из-за неоднородности магнитного поля Земли частицы испытывают дрейф  вокруг Земли по широте. Положительно заряженные частицы отклоняются  к западу, а отрицательно заряженные — к востоку. Электроны с энергией 5 Мэв проходят путь между пробками за десятые доли секунды, а время  их обращения вокруг Земли по широте в дрейфовом движении измеряется сотнями секунд.

   До 1958 г. считалось, что магнитное поле Земли (геомагнитное поле) имеет вид, показанный на рисунке 11, т. е. считалось, что магнитное поле Земли простирается во всем пространстве и исчезает лишь на бесконечно большом расстоянии от Земли. Однако полеты спутников и  космических ракет показали, что  это не так. Оказалось, что геомагнитное поле подвержено непрерывному воздействию  потока заряженных частиц, испускаемых  Солнцем, так называемого «солнечного  ветра». Геомагнитное поле искажается также электрическими токами, циркулирующими в радиационном поясе, и изменениями  межпланетного магнитного поля. Поэтому  геомагнитное поле существует лишь в  определенном объеме пространства, который  называется магнитосферой. Более близкая  к действительности картина линий  индукции магнитного поля Земли изображена на рисунке 12.

Рис.12 

   В том, что именно с магнитным полем  Земли связано образование радиационного  пояса, ученые еще раз убедились, когда советская космическая  станция установила отсутствие радиационного  пояса вокруг Луны. Ведь у Луны магнитное  поле отсутствует или по крайней  мере очень мало. Об этом свидетельствуют  измерения, проведенные с помощью  первого в мире искусственного спутника Луны - советской автоматической станции  «Луна-10».