регистрация / вход

Плазма четвертое состояние вещества

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ

ГУМАНИТАРНЫЙ ИНСТИТУТ

физико-математический факультет

кафедра математики и физики

Курсовая работа на тему:

«Плазма – четвертое состояние вещества»

Выполнила студентка

физико-математического факультета

очного отделения

4 курса группы 4-м-1

Панкова А.О.

Научный руководитель:

Русаков О.В.

Орехово-Зуево

2010

Содержание

1. Введение: Что такое плазма? ………………………………………стр3

2. Основная часть:

1) Поведение плазмы в электрических и магнитных полях:

А) Плазма в электрическом поле …………………………..стр4

Б) Плазма в магнитном поле ………………………………...стр8

2) Устойчивость плазмы………………………………………стр18

3) Проблема удержания высокотемпературной плазмы…….стр20

4) Плазма во вселенной:

А) Откуда Солнце и звезды черпают свою энергию?.........стр26

Б) Как «устроено» Солнце?...................................................стр27

3. Заключение ……………………………………………………………стр32

4. Список использованной литературы………………………………..стр33

1.Введение

Что такое плазма?

Словом «плазма» (от греч. «плазма» — «оформленное») в середине XIX в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881—1957) и Леви Тонко (1897—1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 °С - в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около

99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т.е. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

2. Основная часть

1) Поведение плазмы в электрических и магнитных полях.

А) Плазма в электрическом поле.

Дебаевская сфера

Плазма состоит из огромного числа положительных и отрицательных зарядов, каждый из которых влияет на поведение всех остальных частиц плазмы. Так что на первый взгляд кажется, что движение одной заряженной частицы в электрическом поле очень мало относится к плазме. Строго говоря, это так. Но можно представить, что плотность частиц в плазме мала. Такую плазму называют разреженной. Так как частицы в ней находятся довольно далеко друг от друга, то их взаимодействием можно пренебречь и считать, что движение частиц определяется лишь действием внешнего поля.

Приведенное описание разреженной плазмы можно назвать моделью независимых частиц.

Рис.1 Рис.2

Кулоновское электрическое поле существует, как известно, во всем пространстве вокруг заряда (рис. 1); оно исчезает только на бесконечно большом расстоянии от заряда. Если же рассмотреть поле того же заряда в плазме, т.е. в совокупности большого числа разноименно заряженных частиц, то получается иная картина: поле данного заряда не простирается до бесконечности, а обрывается (как говорят физики, экранируется), начиная с некоторого расстояния (рис. 2). Это расстояние RD получило название дебаевского радиуса (по имени Немецкого физика Дебая). Дебаевский радиус определяется формулой

где Т—абсолютная температура, а n — концентрация электронов. Таким образом, электрическое поле заряженной частицы в плазме имеется только внутри сферы радиуса RD - Ее называют дебаевской сферой . Вне дебаевской сферы электрического поля нет. Так что частицы в плазме взаимодействуют друг с другом только тогда, когда они находятся на расстоянии, меньшем дебаевского радиуса.

Внутри сферы с дебаевским радиусом, который характеризует эффективное расстояние взаимодействия частиц, находится очень много заряженных частиц плазмы.

Согласно условию квазинейтральности плазмы концентрация отрицательно заряженных частиц должна мало отличаться от концентрации положительно заряженных частиц. Это условие выполняется, если линейные размеры l области, заполненной смесью заряженных частиц, намного больше дебаевского радиуса, т.е. l>>RD . Если же l<<RD , то условие квазинейтральности не выполняется. Таким образом, если в плазме выделить какую-либо заряженную частицу, то, собственно говоря, плазма находится за пределами дебаевской сферы, окружающей эту частицу.

Дебаевский радиус является очень важной характеристикой плазмы. В частности, он определяет так называемый ленгмюровский слой. Этот слой образуется при соприкосновении плазмы с твердым телом (например, с зондом). Так как электроны в плазме имеют большую скорость, чем ионы, то число электронов, попадающих на зонд, больше, чем число ионов. Поэтому зонд заряжается отрицательно. Между зондом и плазмой возникает электрическое поле, которое препятствует движению электронов. Когда движение электронов прекратится, вокруг отрицательно заряженного зонда возникает слой положительного заряда. Толщина этого слоя определяется величиной дебаевского радиуса RD .

Рассеяние заряженных частиц

Экранирование электрического поля заряда в плазме приводит к тому, что кулоновское взаимодействие заряженных частиц происходит только внутри дебаевской сферы. Значит, то, что было написано ранее о движении частицы в кулоновском поле, в плазме справедливо лишь на расстояниях, меньших дебаевского радиуса. Но внутри дебаевской сферы находится много заряженных частиц плазмы. Их движение называют рассеянием заряженных частиц кулоновским центром . Что под этим подразумевается? Представьте, что на неподвижный заряд, который называют рассеивателем, «падает» пучок заряженных частиц. Из-за взаимодействия с неподвижным зарядом каждая из частиц пучка отклоняется и притом по-разному. Это и есть рассеяние падающего пучка. Всякое рассеяние характеризуется эффективным сечением σ. Пучок нейтральных частиц (например, шариков) рассеивается только после непосредственного столкновения с рассеивающей частицей. Такие столкновения происходят в том случае, когда расстояние между центрами шариков меньше или хотя бы равно сумме радиусов шариков (рис. 3). Площадь круга с радиусом, равным сумме радиусов шариков, и есть в этом случае эффективное сечение рассеяния:

Рис. 3

Всякий налетающий шарик, «метящий» в такую площадь вокруг рассеивающего шарика, обязательно отклонится. Если же шарик не попадает в указанную мишень, он может пролететь, даже не «почувствовав» присутствия рассеивающего шарика. Другое дело, если мы имеем заряженные частицы. Они будут рассеиваться не только при непосредственном столкновении с рассеивающим центром, но даже проходя далеко от него. Ведь заряженные частицы взаимодействуют через свои электрические поля, совершенно не соприкасаясь друг с другом. В плазме кулоновское поле заряда обрывается (экранируется) на расстоянии, равном дебаевскому радиусу, поэтому при изучении рассеяния заряженных частиц в плазме рассматривают три характерные области: 1) область близких столкновений, 2) область далеких столкновений и 3) область, расположенная вне дебаевского радиуса.

В области «близких» столкновении из-за большой силы взаимодействия частиц происходит резкое искривление траектории.

В области «далеких» столкновении сила взаимодействия частиц мала, и траектория мало искривляется. Следует иметь в виду, что и в этом случае окончательное изменение направления вектора скорости может быть большим, так как действие слабой силы происходит на протяжении большого промежутка времени. Граница между областью «близких» и «далеких» столкновений очень условна. За верхнюю границу области «далеких» столкновений принимают дебаевский радиус.

Вне дебаевского радиуса кулоновского взаимодействия между частицами нет, и там начинается третья область, область коллективных, или плазменных, взаимодействий.

О столкновении можно говорить только условно (т.к. частицы взаимодействуют на расстоянии и друг с другом не сталкиваются), понимая под этим искривление траектории при взаимодействии. Заряженные частицы, рассеиваемые кулоновским центром, не изменяются при рассеянии. Поэтому это рассеяние можно рассматривать как упругое.

Чем больше скорость заряда (его кинетическая энергия), тем меньше эффективное сечение. Полю, рассеивающему заряженные частицы, «труднее» отклонить быстро движущиеся частицы, чем частицы, движущиеся медленно.

Эффективное сечение «далеких» столкновений в плазме примерно в 10 раз больше эффективного сечения «близких» столкновений. Это означает, что в плазме больший эффект дают «далекие» столкновения, чем близкие. Поэтому при изучении плазмы близкие столкновения часто совсем не учитывают.

Рис.4 Рис.5

А какова траектория заряженной частицы в плазме? Из-за непрерывного кулоновского взаимодействия траекторией частицы является какая-то плавная кривая линия. Поэтому говорить о столкновениях можно довольно условно. Следовательно, когда говорят о столкновении частиц плазмы, то подразумевают, что плавный путь частицы (рис. 5) мы заменяем приближенно ломаной кривой (рис.4), которая совершенно аналогична траектории нейтральной частицы.

«Убегающие» электроны

Сейчас остановимся на одном очень интересном явлении в плазме — явлении «убегающих» электронов. Его часто называют еще «просвистом» электронов. Оно состоит в том, что при некоторой величине напряженности электрического поля в плазме электроны начинают неограниченно ускоряться — двигаться со все большей и большей скоростью. Почему это происходит?

Электроны и ионы, помещенные в одно и то же электрическое поле, двигаются с разными скоростями. И на электрон, и на однозарядный ион в электрическом поле действуют одинаковые по величине силы. Но масса электрона почти в 2000 раз меньше массы иона. Поэтому из второго закона Ньютона следует, что ускорение электрона почти в 2000 раз больше ускорения иона. За один и тот же промежуток времени электрон приобретает гораздо большую скорость, чем ион. Значит, электрон более подвижен, чем ион. Движению электронов препятствуют столкновения с ионами. Но, чем больше скорость движущейся частицы (электрона), тем меньше сечение столкновений. Другими словами, электроны с большими скоростями почти не испытывают столкновений с ионами. В плазме электроны совершают тепловое движение. Поэтому имеет место определенное распределение электронов по скоростям. Это означает, что большая часть электронов движется с примерно одинаковыми скоростями, в то время как скорости остальных электронов имеют самые разнообразные значения.

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—ВII и перпендикулярную ей — В Если положительно заряженная частица движется перпендикулярно оси Z, то под действием составляющей поля ВII 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 скоростидолжна увеличиваться. Но мы уже говорили, что в магнитном поле величина ско­рости частицыv 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 vII уменьшается. При этом в каком-то месте магнитного поля продольная ско­рость vII 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 находитсяв 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 vII , 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 vII , т.е. от угла α между скоростью частицы и направлением линий индукции поля.

Анализ показывает, что если Вm — 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».

Как космические частицы ускоряются

магнитным полем?

При колоссальных взрывах на Солнце из его верхних слоев вырываются потоки заряженных частиц. В межзвездном пространстве эти частицы каким-то образом ускоряются так, что, подлетая к Земле, они обладают огромной энергией. Каким же образом ускоряются космические частицы? Далее будет рассказано об одном из возможных механизмов ускорения космических частиц, предложенном выдающимся итальянским физиком Э. Ферми.

Вы помните, что постоянное магнитное поле изменяет только направление скорости движущейся частицы, а величина скорости остается постоянной. Это означает, что кинетическая энергия частицы в постоянном магнитном поле не изменяется. Представьте себе теперь частицу, находящуюся в магнитной ловушке между «зеркалами» А и В. Такими «зеркалами» в космическом пространстве являются области с повышенной индукцией магнитного поля. Допустим, что «зеркало» А медленно движется навстречу «зеркалу» В со скоростью u. При отражении от «зеркала» А поперечная скорость частицы не изменяется. Это происходит из-за того, что магнитный момент

постоянен и частица после отражения попадает в то же поле, в котором она была до отражения. Продольная же скорость частицы при отражении от «зеркала» А увеличивается на 2u. Следовательно, если «зеркала» А и В движутся навстречу друг другу, то при каждом отражении от них продольная скорость заряженной частицы увеличивается и частица покинет ловушку, имея большую кинетическую энергию, чем в момент захвата ловушкой. Это и есть механизм ускорения заряженных частиц в космосе, предложенный Ферми. Таким образом, магнитное поле играет большую роль в процессах, происходящих в космическом пространстве.

Диффузия частиц в магнитном поле

В постоянном и однородном магнитном поле заряженные частицы двигаются по винтовым линиям. Если бы частицы не сталкивались друг с другом, то они передвигались бы вдоль линий магнитной индукции. В действительности же частицы, конечно, сталкиваются друг с другом. К чему такие столкновения приводят? К тому, что частицы перескакивают с одной линии индукции на другую. Другими словами, из-за столкновении друг с другом частицы перемещаются поперек линии индукции. Такое явление называют поперечной диффузией плазмы в магнитном поле. Анализ показывает, что скорость поперечной диффузии частиц тем больше, чем меньше индукция магнитного поля и ниже температура. Таким образом, в сильном магнитном поле и при высоких температурах поперечная диффузия должна быть незначительной. Однако в действительности этот вывод оказывается справедливым только при очень ограниченных условиях.

Приближенная теория показывает, что основную роль в поперечной диффузии играют столкновения электронов с ионами. Столкновения же ионов с нонами и электронов с электронами при этом несущественны.

Так как ионы движутся в магнитном поле по окружности большего радиуса, чем электроны, то им «легче» перейти в результате соударений к вращению вокруг других линий индукции, чем электронам. Другими словами, ионы диффундируют поперек магнитного поля быстрее, чем электроны. Однако в плазме всегда должно быть выполнено условие квазинейтральности. Это означает, что уже при незначительном разделении положительных и отрицательных зарядов возникают сильные электростатические (кулоновские) поля, которые препятствуют дальнейшему разделению зарядов. Но при поперечной диффузии разделение зарядов происходит из-за разных скоростей диффузии электронов и ионов. Это значит, что с разделением зарядов возникающее сильное электростатическое поле препятствует образованию большой разности скоростей диффузии этих частиц. Рвущиеся вперед ионы увлекают за собой электроны, а электроны, наоборот, стремятся затормозить диффузию ионов. Такая совместная диффузия разноименно заряженных частиц называется амбиполярной .

Вспомним теперь о магнитных ловушках. Мы говорили, что в пробкотроне столкновения между частицами приводят к их уходу из ловушки. Теперь же мы узнали, что такие столкновения приводят еще и к поперечной диффузии частиц, являющейся причиной ухода их на стенки ловушки.

Как плазма в магнитном поле проводит электрический ток?

От обычного газа нейтральных частиц плазма отличается способностью хорошо проводить электрический ток. Для полностью ионизированной разреженной плазмы приближенно выполняется закон Ома, который в данном случае записывается не так, как принято его записывать в средней школе , а в следующем виде:

где j — плотность тока (ток, приходящийся на единицу площади), E - напряженность электрического поля,- удельное сопротивление проводника. В отсутствие магнитного поля, чем реже сталкиваются электроны с ионами, тем удельное сопротивление плазмы меньше. Если же электроны очень часто сталкиваются с ионами, то электропроводность мала.

В магнитном поле поведение плазмы резко изменяется. Ее свойства в разных направлениях оказываются различными. Среды, у которых свойства в разных направлениях неодинаковы, называются анизотропными. Действительно, если ток в плазме протекает параллельно магнитному полю, то на него магнитное поле не оказывает никакого воздействия.

Иначе обстоит дело, когда ток течет под некоторым углом к направлению линий индукции магнитного поля. В однородном магнитном поле частицы перемещаются по винтовым линиям. Если за время свободного пробега электрон успевает сделать много циклотронных оборотов (такую плазму называют замагниченной), то за это время среднее смещение электрона в направлении, перпендикулярном магнитному полю, оказывается меньшим, чем по направлению магнитного поля. Другими словами, средняя скорость электронов в направлении, перпендикулярном магнитному полю, меньше, чем в направлении поля. Это означает, что электропроводность плазмы поперек поля меньше электропроводности вдоль поля (с увеличением скорости частиц эффективное сечение столкновений уменьшается). Таким образом, плазма в магнитном поле должна описываться двумя коэффициентами проводимости: продольной проводимостью σII и поперечной проводимостью σ . При этом у замагниченной плазмы σ меньше σII .

2) Устойчивость плазмы.

Для осуществления управляемых термоядерных реакций большое значение имеет вопрос об устойчивости плазмы. Нужно, чтобы плазма хорошо удерживалась ловушкой в течение таких промежутков времени, за которые частицы плазмы успели бы вступить в реакцию. Но к большому огорчению физиков оказалось, что плазменные конфигурации из-за различных неустойчивостей «разваливаются» скорее, чем успевают произойти реакции между частицами плазмы. И теперь многие исследователи плазмы посвятили себя изучению способов борьбы с ее неустойчивостью, надеясь во что бы то ни стало «укротить» «строптивую» плазму. Неустойчивость плазмы еще не означает, что ее нельзя заставить служить людям. Ведь совсем неустойчив, например, одноколесный велосипед. Но многие видели, как на таком велосипеде артисты цирка не только ездят, но и выделывают сложные трюки. Все дело в умении! Вот и исследователи плазмы изучают разнообразные свойства ее, надеясь, в конце концов, «оседлать» ее и заставить еще активнее служить людям.

Рис.13

Представьте себе, что плазма, в которой совсем нет магнитного поля, удерживается в равновесии внешним магнитным полем. При этом возможны три случая конфигурации магнитного поля: линии индукции могут быть выпуклыми, вогнутыми или прямыми (рис. 13). Характер действия магнитного поля на проводящую жидкость (плазму) таков, как если бы он определялся стремлением линий индукции сокращаться подобно натянутым резиновым жгутам. Плазма же, как и всякий газ, стремится увеличить свой объем. Что же в результате получается, когда магнитные линии индукции выпуклы наружу (рис. 13, а)? Магнитное поле не проникает в плазму. Стремлению линий индукции сократиться мешает стремление плазмы увеличить свой объем. Но если только по каким-нибудь причинам магнитное поле освобождает часть занимаемого им пространства, плазма тотчас же туда устремляется. Наоборот, место, освобожденное плазмой, занимается магнитным полем. Магнитное поле и плазма обмениваются своими местами. Плазма как бы «раздвигает» линии индукции и просачивается через магнитное поле.

Это порождает неустойчивость, которая называется перестановочной или обменной.

В случае же, когда линии индукции выпуклы к плазме (рис. 13, б), их стремлению сократиться совершенно не препятствует стремление плазмы занять больший объем, а, наоборот, одно другому способствует. Такая равновесная конфигурация плазмы в магнитном поле является устойчивой.

Конфигурация плазмы (рис. 13, в) является безразличной.

Итак, не всякая равновесная конфигурация плазмы является устойчивой. Вспомним теперь ловушки с магнитными пробками и тороидальные магнитные ловушки. В обоих случаях можно указать такие области, в которых линии индукции магнитного поля являются выпуклыми и которые, следовательно, опасны из-за обменной неустойчивости. Таким образом, надо придумать, как бороться с неустойчивостью. Можно избежать перестановочной неустойчивости, создавая магнитное поле, линии индукции которого везде выпуклы в сторону плазмы (см. рис. 14). Ловушки такого типа называются магнитными ловушками со встречными полями. Надо отметить, что частицы плазмы покидают и такие ловушки через места «встречи» линий индукции.

Рис.14

3) Проблема удержания высокотемпературной плазмы

Прогресс человечества связан с возрастанием исполь­зуемой им энергии. Обычно для подсчета запасов энер­гии вводят так называемую условную единицу. 1-й соот­ветствует энергия, содержащаяся в 33 миллиардах тонн каменного угля. За две тысячи лет до 1850 г. человечество израсходовало примерно 9 таких единиц, а только за сто лет с 1850 до 1950 г. — пять условных единиц. Вот, какие колоссальные темпы роста потребления энергии! Эти темпы будут еще более стремительными. Встает вопрос, на сколько хватит человечеству разведанных им запасов топлива на Земле. Оказывается, что химическое топливо оценивается в 100 условных единиц - его хватит очень ненадолго. Разведанных запасов ядерного горючего хватит всего только на несколько сот лет. Так неужели же человечество обречено на энергетический голод? Конечно, нет. Почти неиссякаемый источник энергии для человечества даст покоренная им плазма, с помощью которой человек овладеет управляемыми термоядерными реакциями. Запасы термоядерного горючего - дейтерия мирового океана - оцениваются в 30 миллиардов условных единиц энергии. Ведь в одном литре обычной воды содержится около 0,03 г дейтерия. А это эквивалентно в энергетическом отношении 300 литрам бензина. Вот почему ученые так упорно и настойчиво добиваются покорения «капризной» плазмы и хотят заставить ее служить людям!

Двадцатый век часто называют «атомным веком». И это неспроста. Ученые разгадали многие тайны атома и его ядра, научились использовать атомную энергию. Первое применение атомной энергии было ужасным и бесчеловечным — это атомная бомба, несущая страшные разрушения и смерть. В нашей стране атомная энергия все больше применяется в мирных целях. Вспомните наш атомный ледокол-гигант «Ленин», атомные электростанции. Источником атомной энергии служат реакции деления ядер тяжелых элементов.

Кроме реакций деления ядер, существуют реакции синтеза (соединения), в которых из легких ядер образуются более тяжелые ядра. Такие реакции в естественных условиях происходят на Солнце: ядра водорода (протоны) соединяются друг с другом, образуя ядра гелия.Использование реакций синтеза началось также с бомбы. На этот раз — водородной. Она еще более разрушительна, чем атомная. В водородной бомбе используется взрыв атомной бомбы. При этом взрыве возникают огромные температуры, при которых начинают происходить реакции синтеза ядер водорода и выделяется еще большая энергия.

Рис.15

Известно, что ядро атома водорода представляет собой протон р. Такого водорода очень много в природе— в воздухе, в воде. Кроме этого, существуют более тяжелые изотопы водорода. Ядро одного из них содержит, кроме протона р, еще и нейтрон n. Называется этот изотоп дейтерием D. Ядро другого изотопа содержит, кроме протона р, еще и два нейтрона n и называется тритием Т. На рисунке 15 представлены схемы реакции синтеза этих ядер. В реакции синтеза выделяется энергия, которая в расчете на 1 кг вещества значительно больше энергии, выделяющейся в реакции деления урана.

Таким образом, если бы удалось осуществить управляемые реакции синтеза, то человечество получило бы новый мощный источник энергии.

А что значит, что в реакции синтеза выделяется столько-то энергии? Это означает, что такой кинетической энергией обладают частицы, образовавшиеся в результате реакции.

Если бы все ядра находящиеся в каком-то устройстве, одновременно могли вступить в реакцию друг с другом, то быстро выделившаяся энергия была бы столь велика, что произошел бы колоссальный взрыв. Это, собственно, и происходит в водородной бомбе. В термоядерном же реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею.

А как практически использовать выделяющуюся энергию? Хотя это — дело будущего, но уже сейчас можно кое-что об этом сказать. При синтезе дейтерия с тритием основная часть выделившейся энергии (около 80%) проявляется в форме кинетической энергии нейтронов. Если вне магнитной ловушки замедлить эти нейтроны подходящим замедлителем, то можно получить тепловую энергию и затем превратить ее в электрическую. При реакции синтеза в дейтерии примерно 2/3 высвобожденной энергии несут заряженные продукты реакции и только около 1/3 — нейтроны. А кинетическую энергию заряженных частиц можно в принципе непосредственно преобразовать в электрическую энергию.

Какие же надо создать условия, чтобы осуществились реакции синтеза? В этих реакциях ядра должны соединиться друг с другом. Но ведь каждое ядро заряжено положительно, и, следовательно, между ними действуют силы отталкивания, которые определяются законом Кулона:

где Z1 e - заряд одного ядра, Z2 e — заряд второго ядра, а е - заряд электрона. Для того чтобы соединиться друг с другом, ядра должны преодолеть кулоновские силы отталкивания, которые становятся очень большими, когда ядра сближаются. Эти силы будут наименьшими для ядер, имеющих наименьший заряд. Наименьшим зарядом из всех ядер обладают ядра водорода и его изотопов (Z=1). Именно поэтому для реакций синтеза наиболее важны дейтерий и тритий. Оказывается, чтобы преодолеть силы кулоновского отталкивания и соединиться, ядра должны обладать энергией примерно 0,01-0,1 Мэв. Такой средней кинетической энергии частиц соответствует температура около 100 миллионов— 1 миллиарда градусов! А это больше, чем температура даже в недрах Солнца! Из-за того что реакции синтеза происходят при очень высоких температурах, их называют термоядерными. (Реакции же деления тяжелых ядер происходят при обычных, комнатных температурах.)

При температурах в миллионы и сотни миллионов градусов нейтральные атомы или молекулы уже не могут существовать, они полностью ионизируются. Таким образом, термоядерные реакции могут проходить только в высокотемпературной плазме.

Термоядерные реакции могут быть источником энергии, если выделение энергии будет больше потерь энергии. Тогда, как говорят, процесс синтеза будет самоподдерживающимся .

Температуру, при которой это происходит, называют температурой зажигания или критической температурой. Для реакций DT (дейтерий—тритий) температура зажигания составляет около 45 миллионов градусов, а для реакции DD (дейтерий—дейтерий) — около 400 миллионов градусов. Таким образом, для протекания реакций DT нужны гораздо меньшие температуры, чем для реакций DD. Поэтому исследователи плазмы отдают предпочтение реакциям DT, хотя тритий в природе почти не встречается, а для его воспроизводства в термоядерном реакторе надо создавать особые условия.

Теперь встает вопрос о том, как удержать плазму в какой-то установке — термоядерном реакторе — и нагреть ее так, чтобы начался процесс синтеза. Мы уже знаем о способах удержания плазмы магнитным полем и об основных типах ловушек плазмы (прямая труба, в которой частицы удерживаются собственным магнитным полем — пинч; стелларатор и ловушки с магнитными пробками).

Ясно, что, чем выше плотность частиц, тем чаще они сталкиваются друг с другом. Поэтому казалось бы, что для осуществления термоядерных реакций надо иметь плазму, плотность которой была бы равна плотности газа в обычных условиях порядка 1025 частиц/м3 . Но такой плотности при термоядерных температурах соответствует колоссальное давление — около 1012 н/м2 , которого не сможет выдержать ни одно техническое устройство! При давлениях же порядка десятков атмосфер термоядерная плазма должна быть сильно разреженной (порядка 1021 частиц/м3 ). Однако в разреженной плазме уменьшается число соударений частиц друг с другом. Чтобы в этих условиях могла поддерживаться термоядерная реакция, надо увеличить время пребывания частиц в термоядерном реакторе. В связи с этим удержательная способность ловушки характеризуется произведением плотности частиц n на время t их удержания в ловушке.

Оказывается, что для реакции DD

nt> 1022 ,

а для реакций DT

nt> 1020 .

Отсюда видно, что для смеси дейтерия при n=1021 частиц/м3 время удержания должно быть больше 10 сек; если же n=1024 частиц/м3 , то время удержания будет больше 0,01 сек.

Для смеси дейтерия с тритием при n=1021 частиц/м3 время удержания больше 0,1 сек, а при n= 1024 частиц/м3 это время больше 10-4 сек. Таким образом, при одинаковых условиях время удержания в реакциях DT должно быть меньше, чем в реакциях DD. Это опять показывает, что реакцию DT легче осуществить, чем реакцию DD. Вы видели, какие огромные трудности связаны с удержанием горячей плазмы в магнитных ловушках. Это - в основном бесконечные неустойчивости плазмы. Для борьбы с ними придумывают новые типы ловушек (как ловушки с встречными полями) или дополняют основные типы ловушек, особенно пробкотрон, различными вспомогательными магнитными полями, которые могли бы надежно «опутать» плазму своими невидимыми сетями и не дать ей возможности выскочить. На этом пути уже достигнуты большие успехи.

Получить горячую плазму в ловушке можно двумя путями: плазму, уже захваченную ловушкой, нагревать каким-то способом или в приготовленную ловушку впускать (инжектировать) достаточно быстрые заряженные частицы. Рассмотрим сначала первый путь. Допустим, что в «пробкотроне» заперта плазма с невысокой температурой. Вспомните механизм ускорения космических частиц по Ферми. Этот принцип ускорения частиц можно использовать для нагрева плазмы в установке.

Если медленно сближать «пробки» ловушки и одновременно сжимать плазму, увеличивая напряженность магнитного поля, то частицы в ловушке приобретут большую энергию, и плазма нагреется.

Рассмотрим теперь второй путь. Это метод инжекции быстрых частиц. Задача введения быстрых частиц внутрь сильного магнитного поля и удержания их там связана с определенными трудностями. Ведь любая заряженная частица, попав в постоянное магнитное поле и двигаясь перпендикулярно линиям индукции, делает в поле полный оборот и возвращается в исходную точку, если не изменить ее траектории внутри магнитного поля. Один из способов изменения траектории инжектируемой частицы внутри ловушки основан на диссоциации молекулярных ионов. Если однократно ионизованные молекулы например дейтерия, попадают в ловушку, то они могут диссоциировать на атомах остаточного газа. При этом молекулярный ион дейтерия превращается в атомарный ион дейтерия и нейтральный атом дейтерия или в два атомарных иона и один электрон:

Так как масса атомарного иона дейтерия D+ в два раза меньше массы молекулярного нона D+ 2 , то и радиус его вращения в магнитном поле также вдвое меньше, и, следовательно, атомарный ион остается в ловушке (рис. 16). На таком принципе основана, в частности, работа самой большой советской магнитной ловушки «Огра», построенной в 1958 г. Молекулярные ионы дейтерия с очень большой энергией создаются специальным устройством, которое называют плазменной пушкой или инжектором. Она в принципе работает так же. как уже рассмотренный выше плазменный двигатель. Современные плазменные пушки позволяют получать сгустки ионов водорода или дейтерия, вылетающие с огромной скоростью — 300—500 км/сек.

Рис.16

Конечно, это не единственные способы получения горячей плазмы; плазма нагревается, например, при диффузии противоположных магнитных полей, при прохождении ударной волны и т.д. В последнее время исследуются возможности использования мощного лазера для нагревания до термоядерных температур очень малого объема плазмы. В такой подожженной, как спичкой, плазме должна, по замыслу, дальше непрерывно протекать термоядерная реакция синтеза. Но все это — дело будущего.

Ученые надеются, что в конце концов удастся овладеть тайной управляемой реакции термоядерного синтеза. И тогда человечество получит неиссякаемый источник энергии на многие миллионы лет!..

4) Плазма во вселенной.

Знания о звездах, планетах и туманностях пока получают главным образом путем исследования их излучения. Однако это очень трудная задача, так как большая доля излучения оказывается недоступной для наблюдения. Земная атмосфера не пропускает излучение, длина волны которого меньше 2900 Å. В инфракрасной же области спектра значительная доля излучения задерживается содержащимися в атмосфере водяными парами. Кроме того, непосредственно удается наблюдать только самые внешние слои Солнца и звезд. Недра же Солнца и звезд оказываются полностью скрытыми от наблюдателя. Выводы о физических условиях в глубинных слоях небесных светил можно сделать лишь на основании только общих физических закономерностей и, в частности, закономерностей физики плазмы. Таким путем удается установить структуру, строение и температуру звездных атмосфер, состояние недр звезд, а также условия, которые существуют в газовых туманностях и в межзвездном пространстве. В настоящее время с развитием астрофизики и, в частности, радиоастрономии открылись новые возможности для изучения природы звезд и межзвездной материи.

А) Откуда Солнце и звезды черпают свою энергию?

Сначала существовало представление, что источниками энергии на Солнце и звездах служат химические реакции. Однако это предположение было полностью отвергнуто учеными еще в XVII в. Первое научное объяснение очень высокой температуры звезд и Солнца было выдвинуто около 100 лет назад немецким ученым Гельмгольцем. Он предположил, что очень высокая температура Солнца обусловлена действием сил тяготения. Давайте представим себе громадное газовое облако с массой, примерно равной массе Солнца, но в миллионы раз превосходящее его по своим размерам. Пусть эта масса газа достаточно удалена от остальных частей Вселенной. В силу закона всемирного тяготения облако будет постепенно сжиматься. Уменьшение объема должно вызвать повышение температуры и плотности газа. Наконец, в результате очень сильного сжатия в центральной части первоначального газообразного облака начнется конденсация, т.е. переход вещества из газообразного в жидкое и затем даже в твердое состояние. С помощью таких простейших рассуждений Г.Гельмгольц показал, что существует возможность объяснения достаточно продолжительного периода существования Солнца.

После открытия радиоактивности была обнаружена недостаточность теории Гельмгольца. Дело в том, что по расчетам Гельмгольца Солнце при той интенсивности излучения, которая имеется в настоящее время, могло бы существовать 10—40 миллионов лет. Однако после открытия явления радиоактивности был установлен возраст Земли. Эта оценка была выполнена по тому количеству урана и продуктов его распада, которое имеется в земной коре. Оказалось, что Земля существует не менее пяти миллиардов лет. Отсюда стала полностью понятна недостаточность объяснения, данного Гельмгольцем.

Источником энергии Солнца и звезд нельзя считать также и имеющиеся на них в достаточном количестве радиоактивные вещества. После того как ученые установили закон радиоактивного распада, стало ясно, что, если бы энергия Солнца была обусловлена радиоактивным распадом, это время существования Солнца было бы даже меньше того, которое давала теория Гельмгольца.

Успехи в области физики позволили разрешить в дальнейшем проблемы источников солнечной и звездной энергии. Оказалось, что объяснение, данное Гельмгольцем, не является столь уж и плохим. Необходимо было только с помощью новейших данных науки уточнить и дополнить первоначальную теорию Гельмгольца.

Благодаря очень высоким температурам и давлениям, существующим внутри Солнца и звезд, атомы всех элементов должны быть почти полностью ионизованы.

Это создает необходимые условия для протекания в недрах звезд и Солнца реакций синтеза легких ядер — термоядерных реакций. Именно термоядерные реакции являются основным источником энергии Солнца и звезд и происходят в их недрах в огромных масштабах.

Термоядерные реакции приводят к освобождению огромной энергии и связаны с превращениями одних элементов в другие.

Б) Как «устроено» Солнце?

По современным представлениям, Солнце состоит из ряда концентрических сфер, или областей, каждая из которых обладает специфическими особенностями. Схематический разрез Солнца показывает его внешние особенности вместе с гипотетическим внутренним строением. Энергия, освобождаемая термоядерными реакциями в ядре Солнца, постепенно прокладывает путь к видимой поверхности светила. Она переносится посредством процессов, в ходе которых атомы поглощают, переизлучают и рассеивают излучение, т.е. лучевым способом. Пройдя около 80% пути от ядра к поверхности, газ становится неустойчивым, и дальше энергия переносится уже конвекцией к видимой поверхности Солнца и в его атмосферу.

Внутреннее строение Солнца слоистое, или оболочечное, оно состоит из ряда сфер, или областей. В центре находится ядро, затем область лучевого переноса энергии, далее конвективная зона и, наконец, атмосфера. К ней ряд исследователей относят три внешние области: фотосферу, хромосферу и корону. Правда, другие астрономы к солнечной атмосфере относят только хромосферу и корону. Остановимся кратко на особенностях названных сфер.

Ядро - центральная часть Солнца со сверхвысоким давлением и температурой, обеспечивающими течение ядерных реакций. Они выделяют огромное количество электромагнитной энергии в предельно коротких диапазонах волн.

Область лучистого переноса энергии - находится над ядром. Она образована практически неподвижным и невидимым сверхвысокотемпературным газом. Передача через нее энергии, генерируемой в ядре, к внешним сферам Солнца осуществляется лучевым способом, без перемещения газа. Этот процесс надо представлять себе примерно так. Из ядра в область лучевого переноса энергия поступает в предельно коротковолновых диапазонах - гамма излучения, а уходит в более длинноволновом рентгеновском, что связано с понижением температуры газа к периферической зоне.

Конвективная область - располагается над предыдущей. Она образована также невидимым раскаленным газом, находящимся в состоянии конвективного перемешивания. Перемешивание обусловлено положением области между двумя средами, резко различающимися по господствующим в них давлению и температуре. Перенос тепла из солнечных недр к поверхности происходит в результате локальных поднятий сильно нагретых масс воздуха, находящихся под высоким давлением, к периферии светила, где температура газа меньше и где начинается световой диапазон излучения Солнца. Толщина конвективной области оценивается приблизительно в 1/10 часть солнечного радиуса.

Фотосфера - это нижний из трех слоев атмосферы Солнца, расположенный непосредственно на плотной массе невидимого газа конвективной области. Фотосфера образована раскаленным ионизированным газом, температура которого у основания близка к 10000 К (т. е. абсолютная температура), а у верхней границы, расположенной примерно в 300 км выше, порядка 5000 К. Средняя температура фотосферы принимается в 5700 К. При такой температуре раскаленный газ излучает электромагнитную энергию преимущественно в оптическом диапазоне волн. Именно этот нижний слой атмосферы, видимый как желтовато-яркий диск, зрительно воспринимается нами как Солнце.

Через прозрачный воздух фотосферы в телескоп отчетливо просматривается ее основание - контакт с массой непрозрачного воздуха конвективной области. Поверхность раздела имеет зернистую структуру, называемую грануляцией . Зерна, или гранулы, имеют поперечники от 700 до 2000 км. Положение, конфигурация и размеры гранул меняются. Наблюдения показали, что каждая гранула в отдельности выражена лишь какое-то короткое время (около 5-10 мин.), а затем исчезает, заменяясь новой гранулой. На поверхности Солнца гранулы не остаются неподвижными, а совершают нерегулярные движения со скоростью примерно 2 км/сек. В совокупности светлые зерна (гранулы) занимают до 40% поверхности солнечного диска.

Процесс грануляции представляется как наличие в самом нижнем слое фотосферы непрозрачного газа конвективной области - сложной системы вертикальных круговоротов. Светлая ячея - это поступающая из глубины порция более разогретого газа по сравнению с уже охлажденной на поверхности, а потому и менее яркой, компенсационно погружающейся вниз. Яркость гранул на 10-20% больше окружающего фона указывает на различие их температур в 200-300° С.

Образно грануляцию на поверхности Солнца можно сравнить с кипением густой жидкости типа расплавленного гудрона, когда со светлыми восходящими струями появляются пузырьки воздуха, а более темные и плоские участки характеризуют погружающиеся порции жидкости.

Исследования механизма передачи энергии в газовом шаре Солнца от центральной области к поверхности и ее излучение в космическое пространство показали, что она переносится лучами. Даже в конвективной зоне, где передача энергии осуществляется движением газов, большая часть энергии переносится излучением.

Таким образом, поверхность Солнца, излучающая энергию в космическое пространство в световом диапазоне спектра электромагнитных волн, - это разреженный слой газов фотосферы и просматривающаяся сквозь нее гранулированная верхняя поверхность слоя непрозрачного газа конвективной области. В целом зернистая структура, или грануляция, признается свойственной фотосфере - нижнему слою солнечной атмосферы.

Хромосфера. При полном солнечном затмении у самого края затемненного диска Солнца видно розовое сияние - это хромосфера. Она не имеет резких границ, а представляет собой сочетание множества ярких выступов или языков пламени, находящихся в непрерывном движении. Хромосферу сравнивают иногда с горящей степью. Языки хромосферы называют спикулами. Они имеют в поперечнике от 200 до 2000 км (иногда до 10000) и достигают в высоту нескольких тысяч километров. Их надо представлять себе как вырывающиеся из Солнца потоки плазмы (раскаленного ионизированного газа).

Установлено, что переход от фотосферы к хромосфере сопровождается скачкообразным повышением температуры от 5700 К до 8000 - 10000 К. К верхней же границе хромосферы, находящейся приблизительно на высоте 14000 км от поверхности солнца, температура повышается до 15000 - 20000 К. Плотность вещества на таких высотах составляет всего 10-12 г/см3, т. е. в сотни и даже тысячи раз меньше, чем плотность нижних слоев хромосферы.

Солнечная корона - внешняя атмосфера Солнца. Некоторые астрономы называют ее атмосферой Солнца. Она образована наиболее разреженным ионизированным газом. Простирается примерно на расстояние 5 диаметров Солнца, имеет лучистое строение, слабо светится. Ее можно наблюдать только во время полного солнечного затмения . Яркость короны примерно такая же, как у Луны в полнолуние, что составляет лишь около 5/1000000 долей яркости Солнца. Корональные газы в высокой степени ионизированы, что определяет их температуру примерно в 1 млн. градусов. Внешние слои короны излучают в космическое пространство корональный газ - солнечный ветер. Это второй энергетический (после лучистого электромагнитного) поток Солнца, получаемый планетами. Скорость удаления коронального газа от Солнца возрастает от нескольких километров в секунду у короны до 450 км/сек на уровне орбиты Земли, что связано с уменьшением силы притяжения Солнца при увеличении расстояния. Постепенно разреживаясь по мере удаления от Солнца, корональный газ заполняет все межпланетное пространство. Он воздействует на тела Солнечной системы как непосредственно, так и через магнитное поле, которое несет с собой. Оно взаимодействует с магнитными полями планет. Именно корональный газ (солнечный ветер) является основной причиной полярных сияний на Земле и активности других процессов магнитосферы.

Строение Солнца

3. Заключение

В своей курсовой я рассмотрела лишь основную часть информации о плазме: что такое плазма, поведение плазмы в электрических и магнитных полях, проблему удержания высокотемпературной плазмы, устойчивость плазмы и самую малую часть вопроса «Плазма во вселенной». Ни одна из работ будь то курсовая, статья или другой исследовательский труд, не сможет охватить того количества информации известной сейчас о плазме. Заканчивая курсовую, посвященную плазме нельзя не сказать о достижениях и перспективах применения плазмы, связанных с ее изучением.

На данный момент плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: высокотемпературная плазма из дейтерия и трития, а также изотопа гелия - основной объект исследований по управляемому термоядерному синтезу. Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света, газовых лазерах и плазменных дисплеях, в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии в электрическую и в магнитогидродинамических генераторах. Если «обратить» магнитогидродинамический генератор, то образуется плазменный двигатель, весьма перспективный для длительных космических полетов. Плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы, применяются в различных областях техники. В частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия. В плазмохимии низкотемпературную плазму используют для получения некоторых химических соединений, которые не удается получить другим путем. Кроме того, высокая температура плазмы обеспечивает высокую скорость протекания химических реакций. Плазма твердого тела - это особая глава в развитии и широчайшем применении физики плазмы.

4.Список используемой литературы

1.Милантьев В.П., Темко С.В. «Физика плазмы». М., Просвещение, 1983.

2. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977

3. Котельников И.А., Ступаков Г.В. Лекции по физике плазмы. Нсб.: НГУ, 1996

4. Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975

5. Кузнецов Э.И., Щеглов Д.А. Методы диагностики высокотемпературной плазмы. М.: Атомиздат, 1974

6. Леонтович М.А. (ред.) Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций. Том 1. М.: Изд-во АН СССР, 1958

ОТКРЫТЬ САМ ДОКУМЕНТ В НОВОМ ОКНЕ

ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ [можно без регистрации]

Ваше имя:

Комментарий