т.1

52 - 56

К причине сжатия пучка одноименных зарядов

52

К причине сжатия пучка одноименных зарядов

Д.П. Борисенко-Каравашкина

Опубликовано в in SELF Transactions, 1 (1994), сс. 52- 56

Ключевые слова: физика плазмы, неустойчивость плазмы, пондеромоторные силы, сила Лоренца, стеллараторы, ТОКАМАК

“Всегда ли отталкиваются одноименные заряды?” - задает вопрос в своей заметке Андрей Борзых (см. журнал “Техника молодежи”, № 7 за 1988 год) и отвечает на него отрицательно, основываясь на собственных наблюдениях сужения пучка одноименных зарядов в диэлектрике. Физическое объяснение этому реальному факту А. Борзых дает на основе эффекта Вавилова - Черенкова: электрон, попадая в диэлектрик, становится “сверхсветовым”, в результате чего создаваемое им электромагнитное поле отстает от него и как бы выбрасывается назад, втягивая в себя сзади летящие электроны. Но действительно, все ли учтено в таком объяснении? Думаю, что нет. Ведь известен еще один эффект, обжимающий ток - это пинч-эффект.

Поток высокоскоростных однозарядных частиц - это фактически ток. А вокруг него, как известно, образуется кольцевое магнитное поле. Взаимодействие этого поля с током вызывает пинч-эффект - явление обжатия как самого тока, так и проводника, по которому он течет.

Пинч-эффект достаточно наблюдался и исследовался экспериментально, но полная его теоретическая разработка практически отсутствует. Так, до сих пор нет объяснения, почему пинч-эффект обжимает также и проводник или плазму, по которым течет ток. Поэтому наблюдаемый А. Борзых эффект сжатия пучка однозарядных частиц необходимо, как мне представляется, рассмотреть и с позиций пинч-эффекта.

53

Это, несомненно, не только поможет полнее понять причину сжатия пучка таких частиц, но и расширит наше представление об этом эффекте.

К эффекту сжатия потока однозарядных частиц привели и мои исследования, связанные с изучением природы электрической искры и молнии (заявка на предполагаемое открытие от 1976 года). Эти исследования показали, что таким потоком может быть сепарированная от электронов, а стало быть, положительная плазма, выстреливаемая из разрядного промежутка и летящая в среде со скоростью, близкой к скорости света (лишь на 1- 2 порядка ниже). Такая плазма создает ионизованные треки, называемые лидерами и стримерами, а также раскаленные искры.

Все эти результаты исследований уже обсуждались 25.04.88 г. на заседании секции шаровой молнии общественной лаборатории “Инверсор” при журнале “Техника - молодежи”. Возможность образования положительной плазмы в электрической искре фактически была признана на этом заседании. Сомнению подвергалась лишь возможность ее полета без взрывообразного расширения. Объяснение же такого явления обжатием летящей положительной плазмы пинч-эффектом представилось секции неубедительным. Теперь же, когда факт обжатия пучка однозарядных частиц в диэлектрике, а стало быть, и в газе подтверждают и исследования Андрея Борзых, я намерена вновь вернуться к пинч-эффекту и рассмотреть его для данного случая с несколько новых позиций.

Причиной сжатия тока пинч-эффектом, как известно, является сила Лоренца, действующая на летящие в магнитном поле заряды.

54

Эта сила определяется по формуле

где q₀  - заряд летящей частицы, V₀  - ее скорость, В - индукция магнитного поля.

Эта формула справедлива и для поля, создаваемого вокруг проводника с током I . После подстановки в (1) выражения для индукции В, соответствующего данному случаю, она принимает вид

где R  - расстояние от частицы до оси потока. В этом случае сила Лоренца всегда направлена к оси тока и потому сжимает весь поток таких частиц. Это и есть пинч-эффект.

Казалось бы, вполне естественно распространить эту формулу и на поток однозарядных частиц. Но здесь возникает вопрос: что принимать за скорость частицы V₀ ? Если пользоваться стандартным усреднением скорости по потоку и за V₀   принимать среднюю скорость частиц в потоке, то, естественно, все частицы с учетом усредненной постановки задачи будут двигаться синхронно и внутреннее взаимодействие между частицами будет отсутствовать, а взаимодействие будет определяться только внешним магнитным полем. Однако, как мы знаем, скорость частиц в потоке имеет как минимум максвелловское распределение,

55

а при движении потока в сплошных средах разница между максимально возможной и минимальной скоростями частиц будет возрастать пропорционально степени взаимодействия с веществом. При этом появляется взаимная разность скоростей между частицами, а следовательно, и взаимодействие между ними на основании силы Лоренца. Этот фактор в формуле (2) отражения не находит. Поэтому было бы более правильным, как мне представляется, заменить в ней скорость на разностную:

где V_f  - средняя скорость частиц в потоке.

Разностная скорость вычисляется по абсолютной величине, поскольку для возникновения силы Лоренца одного и того же направления не имеет значения, заряд ли пересекает поле (V₀ > V_f)   либо поле находит на заряд  (V₀ < V_f) . Тогда формула (2) примет вид

Теперь проанализируем эту формулу. В вакууме условия для торможения периферийных частиц малы, и при малой энергии пучка (в пределах килоэлектронвольт)  V₀ = V_f  и F_L = 0 . Хотя в потоке высокоэнергетичных частиц, когда скорость их движения приближается к с и плотность сжатия пучка обеспечивает появление достаточного взаимодействия между частицами пучка, влиянием этой силы пренебрегать уже нельзя,

56

а при определенном произведении давления в пучке на энергию действие этой силы будет приводить к выворачиванию шнура даже во внешнем однородном и симметричном электрическом и магнитном полях. Что и происходит в ТОКАМАКах. В сплошной среде или неполном вакууме, когда взаимодействием частиц потока и окружающей среды пренебрегать нельзя, дисперсия скорости частиц в потоке V_f  резко возрастает, обусловливая рост F_L . Таким образом, чем больше и сильнее затормаживаются частицы относительно общего потока, тем сильнее сужается ток под влиянием силы Лоренца.

Если вернуться к проблеме ТОКАМАКа или обжатия пинч-эффектом проводников и плазмы, например, в разрядных промежутках, то образующиеся в результате ионизации слабо подвижные положительные ионы, двигающиеся встречно электронному потоку или закрепленные в узлах кристаллической решетки (в проводнике) обусловливают появление дисперсии скорости частицы и автоматическое сжатие проводника и выворачивание шнура плазмы, а стало быть, известный пинч-эффект.

Итак, доказан факт существования сил внутреннего взаимодействия между частицами одноименного заряда, определяющий известные, но не объясненные экспериментально работы, что, надеюсь, позволит преодолеть имеющиеся в настоящее время трудности в достижении положительных результатов в физике высоких энергий и в частности в решении проблемы создания управляемого термоядерного синтеза.

30.08.88