ТАЙНЫ ПЛАЗМЫ


ГЛАВА 5

ТАЙНЫ ПЛАЗМЫ

Плазма)... Еще совсем недавно на вопрос о том, что такое плазма, большинство неспециалистов, не задумываясь, ответило бы, что это — жидкая часть крови или же вязкая жидкость, заполняющая живые клетки (в последнем случае более правильный термин — протоплазма или цитоплазма). И разве только относительно небольшая группа ученых и инженеров указала бы на второе значение этого термина, относящееся не к биологии, а к физике. Это не удивительно —■ даже в физике плазма интересовала тогда немногих).

Но как все изменилось за последние годы! О плазме и ее роли в физике и технике теперь знает почти всякий, и популярность физической плазмы ныне намного больше, чем плазмы биологической, — это теперь, пожалуй, один из самых «модных» научных терминов. Загадкам плазмы посвящены сотни и тысячи докладов на научных конференциях и исследований, помещаемых в научных журналах самых различных специальностей, многочисленные статьи в газетах и научно-популярных журналах, с ней связывают большие надежды представители разных отраслей знания. Плазма, ее тайны и возможности живо интересуют ныне астрофизиков и электрорадиотехников, физиков-ядерников и инженеров по атомной энергетике, ученых-аэродинамиков и конструкторов самолетов и ракет, специалистов в области ракетных двигателей и создателей аэродинамических труб, ученых-материаловедов и инжене-ров-производственников, да и не только их...

) Греч, plasma; буквально: некое образование, нечто вылепленное.

) Термин «плазма» в физике введен в 1924 г. американским ученым И. Ленгмюром, изучавшим свойства ионизованного газа в связи с работами по новым источникам света.

Вообще говоря, роль плазмы в природе столь велика, что она вполне заслуживает вызываемый ею интерес. Если этот интерес стал проявляться особенно сильно лишь в последние годы, то это объясняется законами развития науки и техники, характером проблем, которые возникли именно сейчас.

Что же такое плазма и в чем секрет вызываемого ею столь необычного интереса?

В физике под плазмой понимают газ, состоящий, помимо обычных молекул и атомов, также из относительно большого числа электрически заряженных частиц — ионов и электронов. При этом общий электрический заряд всего • газа по-прежнему остается равным нулю, т. е. плазма, как и обычный газ, в целом электрически нейтральна. Это значит, что в ней находится практически одинаковое количество частиц с положительным и отрицательным электрическим зарядом, так что их заряды взаимно погашают друг друга (иногда говорят поэтому о квазинейтральности плазмы — в действительности она «кишит» зарядами).

Плазма может быть получена из обычного газа путем его ионизации. Для этого можно, например, нагреть газ до очень высокой температуры. Такой раскаленный газ и превратится в плазму. В ней будут идти два диаметрально противоположных процесса. С одной стороны, под действием высокой температуры будут образовываться все новые ионы, ибо столкновения частиц, движущихся с большой скоростью, будут приводить к тому, что атомы и молекулы газа будут терять электроны, превращаясь в ионы. С другой стороны, в результате столкновений ионов и электронов будет происходить их обратное воссоединение, т. е.' рекомбинация нейтральных атомов и молекул. Каждой данной температуре будет соответствовать определенное, как говорят, термодинамическое равновесие плазмы, когда в любое мгновение число образовавшихся и исчезнувших ионов будет одинаковым.

Это значит, что средняя степень ионизации плазмы будет неизменной. Повысится температура — и степень ионизации плазмы возрастет, так как процесс образования ионов будет теперь превалировать над процессом рекомбинации. Наконец, при некоторой температуре плазма будет уже полностью ионизованной, в ней не будет нейтральных атомов, она вся будет состоять из одних лишь

ионов и электронов. При очень высоких температурах, характерных, например, для недр звезд, ядра имеющихся там атомов полностью лишены своих электронных оболочек и плазма является в этом случае бурлящей смесью положительных атомных ядер и отрицательных электронов. Для полной ионизации самых тяжелых из существующих

Рис. 45. Изменение состояния различных химических элементов при нагреве (по Хантше и Вичореку).

в природе атомов нужна еще большая температура, равная, по расчетам Зенгера, примерно 2 млрд, градусов, по другим данным, графически изображенным на рис. 45, несколько меньшая.

Легко видеть, что характер плазмы зависит также от ее давления. Ведь при одной и той же температуре в разреженной плазме столкновения частиц, приводящие к рекомбинации, будут более редкими, вследствие чего средняя степень ионизации возрастет. Вот почему удается до

биваться практически полной ионизации плазмы лишь при ее весьма большой разреженности.

Плазма очень распространена в природе. Более того, абсолютно большая часть всего вещества в природе, более 99,9%, представляет собой именно плазму. Ведь звезды— это огромные сгустки плазмы, из плазмы состоят и гигантские газовые туманности, плавающие в бесконечной Вселенной. Этим и объясняется давний интерес астрофизиков к плазме и ее теории.

Но оправдано ли это выделение плазмы в некую особую субстанцию? Разве так уж отличается от обычного газа такой же газ со значительным содержанием электрически заряженных частиц?

Почему говорят, что плазма — это совершенно особое, четвертое агрегатное состояние вещества, в отличие от общеизвестных трех состояний, — твердого, жидкого и газообразного?

Да, это вполне обосновано, потому что кажущееся на первый взгляд не столь уже существенным наличие в газе свободных электрических зарядов в действительности настолько радикально меняет свойства газа, что плазму нельзя не считать особым состоянием вещества. Это отличие свойств связано с тем, что обычный газ, как известно, практически не проводит электрического тока, т. е. является изолятором, тогда как плазма со своими свободными ионами и электронами является хорошим проводником тока. Чем больше степень ионизации плазмы, тем лучшим проводником тока она является. Но с электропроводностью плазмы непосредственно связана другая важнейшая ее особенность — взаимодействие с электромагнитными полями. В отличие от обычного газа, почти совсем не взаимодействующего с окружающими электромагнитными полями, плазма тем сильнее взаимодействует с ними, чем выше степень ее ионизации. Это значит, в частности, что в движущейся плазме генерируется электрический ток, если она пересекает силовые линии магнитного поля, как это случается с обычными металлическими проводниками в динамо-машине. Точно так же наличие электрического тока в плазме заставляет ее двигаться в магнитном поле подобно движению якоря электродвигателя.

Мы обращаем особое внимание читателя на возникновение этой силы (ее называют в физике силой Лоренца), заставляющей перемещаться плазму в магнитном поле,

если в плазме течет электрический ток. Как видите, в отличие от газа, движение которого происходит под действием повышенного давления (именно оно создает реактивную струю в химическом ракетном двигателе), здесь давление не обязательно (оно, конечно, иногда может существовать). В этом случае говорят о давлении магнитного поля, или просто о магнитном давлении — это оно заставляет вращаться якорь электрического двигателя или создает поток плазмы. Важно отметить одно принципиальное отличие магнитного давления от обычного давления газа: в случае давления газа на какую-нибудь твердую стенку это давление физически передается молекулами газа, бомбардирующими стенку, а при магнитном давлении такого физического контакта нет. Между якорем и статором электрического двигателя может существовать идеальный вакуум — все равно якорь будет вращаться под действием магнитного давления, и такое же давление (реактивное) будет действовать на неподвижный статор. Точно так же при течении плазмы в каком-нибудь канале, вызванном взаимодействием электрического и магнитного полей, ее ускорение создает реактивную силу, действующую на стенки канала, но эта сила связана с магнитным давлением, ударов частиц плазмы (ионов и электронов) о стенки может и не быть вовсе.

И еще одно. Сила Лоренца зависит от величины силы тока в плазме и напряженности магнитного поля, причем, и это очень важно для плазменных двигателей, ток может возникать либо непосредственно в плазме между введенными в нее электродами, либо же он может индуцироваться в ней переменным по времени магнитным полем. В свою очередь магнитное поле может извне накладываться на плазму либо же индуцироваться в ней текущим через нее током. Сколько всевозможных вариантов!

Когда мы говорим, что лоренцова сила ускоряет поток плазмы, то имеем в виду, очевидно, непосредственное действие этой силы на все заряженные частицы плазмы и каждую из них в отдельности. Но частицы-то эти очень разные: ^одни из них — ионы — имеют положительный заряд и относительно большую массу, другие электроны — отрицательный заряд и весьма малую массу. Последствия такого различия очень важны. Действительно, под действием лоренцовой силы каждая из частиц приобретает одно и то же количество движения, но скорость

их возрастает по-разному: для тяжелых ионов прирост скорости оказывается гораздо меньшим, чем для легких, подвижных электронов. Поэтому электроны сразу же вырываются вперед, а ионы отстают — ранее нейтральная плазма делится на две ощутимо по-разному заряженные части. А тут еще вмешивается магнитное поле, и частицы начинают двигаться по спирали, завиваться вокруг силовых линий этого поля в разные стороны: если ионы — по часовой стрелке, то электроны обязательно против. Легко представить себе, какой беспорядок воцарился бы в потоке плазмы, что вовсе не было бы плюсом для двигателя, не будь серьезных барьеров на пути этой анархии и хаоса. Действительно, как только ионы и электроны ощутимо дифференцируются, так сразу же вступает в действие кулоновская сила электростатического притяжения зарядов противоположного знака, препятствующая такому разделению и вызывающая дополнительные «уравнивающие» токи в плазме (их называют часто в литературе токами Холла; о них еще будет сказано ниже). Бесчисленные взаимные столкновения ионов и электронов, а также ионов и нейтральных частиц плазмы, в свою очередь, непрерывно уравнивают скорости их движения, и т. д. Поэтому при достаточной плотности плазмы очень скоро достигается более или менее усредненная скорость ее движения, и плазма по-прежнему остается квазинейтральной. Однако сложность и многообразие указанных выше физических явлений в плазме (а указаны они далеко не полностью) свидетельствует о том, с какими трудностями связано теоретическое изучение рабочих процессов двигателей и Других устройств, рабочим веществом которых является плазма.

Мы указали лишь некоторые частные примеры, показывающие, насколько необычными являются свойства плазмы по сравнению с газом; число таких примеров можно было бы умножить (в частности, в плазме могут возникать характерные только для нее так называемые плазменные колебания, невозможные в газе). Эти свойства приводят к важнейшим особенностям физического и технического применения плазмы.

Особенно большое развитие теория плазмы получила последние годы в связи с исследованиями в области управляемых термоядерных реакций, начатыми в нашей стране под руководством акад. И. В. Курчатова и широко

ведущимися ныне во многих странах. Ведь путь, по которому идут в настоящее время исследователи, связывая с ним наибольшие надежды, заключается в использовании высокотемпературной плазмы с целью создания температур вещества, необходимых для начала термоядерных реакций. Только указанные выше электрические свойства плазмы позволяют рассчитывать на то, что такие температуры удастся практически реализовать без того, чтобы стенки сосуда с плазмой мгновенно испарились. Как известно, для этой цели ученые используют взаимодействие электрического разряда в плазме с магнитными полями, как создаваемым этим же разрядом (простой пинч-эф-фект), так и внешними. В результате такого взаимодействия плазма оказывается как бы заключенной в своеобразной «магнитной бутыли», сжимается в шнур, нигде не касающийся стенок сосуда, в котором она находится. Подобным методом уже удалось достичь температуры плазмы в десятки миллионов градусов), но впереди еще немалые трудности, которые нужно преодолеть, чтобы обеспечить человечество практически неограниченным источником энергии.

Однако энергетиков плазма интересует не только в связи с проблемой управляемой термоядерной реакции. Овладение тайнами плазмы позволило бы им решить и другие увлекательные задачи. Разве не может увлечь, например, возможность создания принципиально новых типов электрических генераторов — динамо-машин, в которых роль, вращающегося якоря выполняет плазма, текущая в каналах неподвижного корпуса? Ведь в такой динамо-машине не будет ни одной движущейся части, и вместе с тем она будет гораздо эффективнее существующих машин этого рода — возможен к. п. д. 60—70% и более вместо 35—40% у обычных турбогенераторов).

С иных позиций проявляют большой интерес к плазме специалисты в области аэродинамики самолетов и ракет, а также конструкторы этих летательных аппаратов. Оказывается, изучение тайн плазмы необходимо им в связи с теми условиями, в которых протекает в атмосфере полет

*) Учеными Сибирского отделения Академии наук СССР получена плазма с температурой 100 млн. градусов («Правда», 23 июля 1964 г.).

) Machine Design, 14. X. 1963, стр. 189.

с очень большими сверхзвуковыми скоростями. В результате аэродинамического нагрева слой воздуха, непосредственно прилегающий к оболочке летящего с такой скоростью аппарата, приобретает столь высокую температуру, что превращается в плазму с большей или меньшей степенью ионизации. Поскольку и лобовое сопротивление летящего аппарата, и тепловые нагрузки в его конструкции определяются главным образом именно свойствами этого пограничного слоя, то ясно, отчего он так интересует и ученого, и конструктора. Возможность внешнего электромагнитного воздействия на пограничный слой из плазмы, отсутствующая в случае более холодного газового слоя при полете с меньшей скоростью, открывает неожиданные перспективы существенного улучшения летных качеств самолетов и ракет (рис. 46). В частности, это касается проблемы так называемого обратного входа космических летательных аппаратов в плотную атмосферу и других проблем, объединенных общим понятием теплового барьера.

Кстати сказать, слой плазмы, окутывающий летательный аппарат, возвращающийся с большой скоростью из космоса в плотную атмосферу, нарушает радиосвязь аппарата, с Землей:—через плазму радиоволны не проходят.. Поэтому, да и по многим другим причинам, плазмой интересуются радиосвязисты и другие специалисты в области радиоэлектроники.

Не удивительно, что плазмой интересуются {к специалисты по экспериментальной аэродинамике, создающие сверхзвуковые и гиперзвуковые аэродинамические трубы, так называемые ударные трубы и другие газодинамические установки для имитации полета с указанной большой скоростью. Ведь только с помощью струй плазмы большой скорости можно исследовать проблемы, связанные с аэродинамическим сопротивлением и теплопередачей высокоскоростного летательного аппарата. Точно так же только плазма может помочь при разработке установок для исследований и испытаний новых конструкционных материалов, из которых будут созданы самолеты и ракеты будущего.

Плазму уже сейчас используют инженеры-технологи, когда в производстве оказываются необходимыми высокие температуры, например, для нанесения тугоплавких покрытий и других целей. Еще больше перспективы

Рис. 46. Магнитогидродинамическое воздействие на плазму при гиперзвуковом обтекании тела. Сверху — снимок обтекания конуса, сделанный в ударной трубе. Зона свечения плазмы образуется за ударной волной. Снизу — картина обтекания того же конуса с наложенным магнитным полем (силовые линии поля показаны стрелками; поле образовано соленоидной катушкой внутри конуса). Лобовое сопротивление конуса возросло, теплоотдача к нему

уменьшилась.

подобного применения плазмы. У нас в стране и за рубежом уже действует множество плазменных установок, а ведь всего с десяток лет назад они находились еще в стадии эксперимента.

Совершенно понятны и надежды, которые связывают с плазмой ракетная техника и космонавтика. Разве плазма, с ее рекордными температурами, не открывает блестящие перспективы в штурме барьера удельного импульса? Впрочем, здесь дело не в одних только температурах, как мы увидим ниже.

Предыдущая глава заканчивалась упоминанием о том, что реактивная струя, вытекающая из сопла электродуго-вого ракетного двигателя, представляет собой, по существу, струю плазмы. Правда, степень ионизации этой плазмы обычно относительно* невелика, ибо сравнительно невелика и ее температура. Чтобы повысить степень ионизации с целью обеспечения больших возможностей электромагнитного воздействия на плазму, нужно, очевидно, повысить ее температуру. Как можно этого добиться?

Один способ достижения указанной цели используется в обычных электродуговых двигателях. Для этого достаточно увеличить давление воздуха, окружающего дугу, так как это позволяет повысить плотность электрического тока между электродами дуги и соответственно количество электрической энергии, сообщаемой в виде тепла вытекающей струе. Еще больший эффект может быть получен, если заменить газ жидкостью. Так, например, для этой цели часто в дуговую камеру подают воду, причем вводят ее через форсунку по касательной к камере, так что она образует вихрь, внутри которого располагается дуга. Часть воды испаряется и выбрасывается в виде струи плазмы, а остальная часть отводится, осуществляя, таким образом, охлаждение дуговой камеры и сопла. Можно, наконец, повысить температуру дуги, уменьшив сечение канала для течения плазмы, и, таким образом, сжав ее).

Обычно в плазменных двигателях этого типа дуга располагается не поперек дуговой камеры, а вдоль нее. При этом один из электродов, катод, выполняется, как и обычно, в виде стержня, тогда как анод представляет собой кольцевую пластину, через внутреннее отверстие которой плазма вытекает в сопло и затем наружу.

) J. Spacecraft, V, 1967, т. 4, № 5, стр. 685 и др.

Электроды изготовляют из вольфрама и различных других тугоплавких металлов, графита, а также меди и др. Как видно из рис. 47, такая конструкция двигателя облегчает создание вихря жидкости вокруг дуги, охлаждение стенок, а также регулирование расхода плазмы (путем

Рис. 47. Схемы электротермического двигателя со стабилизованной дугой (Interavia № 10, 1958; Scientific American III, 1961).

перемещения катода относительно анода). Мало того, как мы увидим ниже, она оказывается весьма полезной и в других отношениях.

Создание газового или жидкостного вихря вокруг дуги не позволяет ей расширяться при увеличении плотности электрического тока, или, как говорят, стабилизирует дугу (следует отметить, что электрическая дуга большой ин

тенсивности обладает недостаточной устойчивостью). Экспериментально с помощью стабилизированной дуги были получены значения температуры плазмы, превышающей 50 000° С. Понятно, что степень ионизации такой плазмы значительно выше, чем, например, в обычной сварочной дуге. В различного рода «плазматронах» и «плаз-маджетах», применяющихся в США, температура вытекающей струи плазмы составляет обычно 10 000—15 000° С. Такая и даже более высокая температура развивается в плазменной сварочной горелке с аргоном, созданной в Институте металлургии Академии наук СССР).

Плазма высокой температуры может быть получена и без помощи дуги, в частности, с помощью высокочастотного индукционного нагрева, т. е. воздействия электромагнитных волн высокой частоты, о чем упоминалось в предыдущей главе (опыты такого рода проводятся, в частности, в связи с термоядерными исследованиями), путем фокусирования мощных импульсов когерентного света, излучаемого лазером), нагрева газа в мощных ударных волнах), и др.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм