Пінч-ефект
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Пінч-ефект

Пінч-ефект (від англ.(англійський) pinch — звуження, стискування), ефект самостягиванія розряду, властивість електричного струмового каналу в стискуваному провідному середовищі зменшувати свій перетин під дією власного, породжуваного самим струмом, магнітного поля. Вперше це явище описане в 1934 американським ученим У. Беннетом стосовно потоків швидких заряджених часток в газорозрядній плазмі . Термін «П.-э.» введений в 1937 англійським фізиком Л. Тонксом при дослідженні дугового розряду .

загрузка...

  Механізм П.-э. найпростіше зрозуміти на прикладі струму I , поточного уздовж осі циліндра, заповненого провідним середовищем. Силові лінії магнітного поля, створюваного I , мають вигляд концентричних кіл, плоскість яких перпендикулярна осі циліндра. Електродинамічна сила, що діє на одиницю об'єму провідного середовища з щільністю струму j, в СГС системі одиниць дорівнює 1 / з × [ jb ] і направлена до осі циліндра, прагнучи стискувати середовище. Виникаючий стан і є П.-э. (Тут квадратні дужки позначають векторний твір ; з — швидкість світла у вакуумі; В — магнітна індукція в даному одиничному об'ємі.) П.-э. можна вважати також простим наслідком Ампера закону про магнітне тяжіння окремих паралельних струмових ниток (елементарних струмових трубок), сукупністю яких є струмовий циліндр. Магнітному стискуванню перешкоджає газокінетичний тиск провідного середовища, обумовлений тепловим рухом її часток; сили цього тиску направлені від осі струмового каналу. Проте при чималому струмі перепад магнітного тиску стає більше газокінетичного і струмовий канал стискується — виникає П.-э.

  Для П.-э. необхідна зразкова рівність концентрацій носіїв зарядів протилежного знаку в середовищі. У потоках же носіїв зарядів одного знаку електричне поле просторового заряду ефективно перешкоджає стискуванню струму. Проходження досить великих струмів через газ супроводиться його переходом в стан повністю іонізованной плазми, що складається із заряджених часток обох знаків. П.-э. в цьому випадку віджимає плазмовий шнур (струмовий канал) від стінок камери, в якій відбувається розряд. Т. о. створюються умови для магнітній термоізоляції плазми. Цією властивістю потужних розрядів (їх називають пінчамі), що самосжімающихся, пояснюється той, що виник у зв'язку з проблемою керованого термоядерного синтезу (УТС) інтерес до П.-э., як до найбільш простого і обнадійливого механізму утримання високотемпературної плазми.

  Умови, при яких газокінетичний тиск плазми nk ( T e + T i ) стає рівним магнітному тиску поля струму I , описуються співвідношенням Беннета: ( 2i/cr ) 2 /8 p = nk ( T e + T i ). Тут n — число часток в одиниці об'єму, r — радіус пінча; T e і T i електронна і іонна температури, відповідно; n — число електронів в одиниці об'єму (рівне з умови квазінейтральності плазми числу іонів); до Больцмана постійна . З формули Беннета виходить, що для досягнення мінімальної температури (Т~10 8 До), при якій термоядерний синтез може представляти інтерес як джерело енергії, потрібний хоча і великий, але сповна здійсненний струм ~ 10 6 а. Дослідження пінчей в дейтерії почалося в 1950—51 одночасно в СРСР, США і Великобританії в рамках національних програм по УТС. При цьому основна увага приділялася двом типам пінчей — лінійному і тороїдальному. Передбачалося, що плазма в них при протіканні струму нагріватиметься не лише за рахунок її власного електричного опору (джоульов нагріваючи), але і при так званому адіабатичному (тобто що відбувається без обміну енергією з довкіллям) стискуванні пінча. Проте по-перше ж експериментах з'ясувалося, що П.-э. супроводиться розвитком різних плазмових неустойчивостей (див. Магнітні пастки ) . Утворювалися місцеві передавлення («шийки») пінча, його вигини і гвинтові обурення («змійки»). Наростання цих обурень відбувається надзвичайно швидко і веде до руйнування пінча (його розриву або викиданню плазми на стінки камери). Виявилось, що прості пінчи схильні до практично всіх видів неустойчивостей високотемпературної плазми і можуть служити як для їх вивчення, так і для випробування різних способів стабілізації плазмового шнура. Струм ~ 10 6 а в установках з лінійним пінчем отримують при розряді на газовий проміжок потужних конденсаторних батарей. Швидкості наростання струму в окремих випадках ~10 12 а/сек. При цьому найбільш істотним виявляється не джоульов нагріваючи, а електродинамічне прискорення до осі струмового шнура його тонкої зовнішньої оболонки (ськин-шаруючи; див.(дивися) Ськин-ефект ) , що супроводиться освітою що потужною сходиться до осі ударної хвилі . Перетворення накопиченою такою хвилею енергії в теплову створює плазму з температурою, набагато більш високою, чим міг би дати джоульов нагріваючи. З ін. сторони, перетворення в пінче енергії електричного струму в теплову стає значно ефективнішим, коли визначальний вклад в електричний опір плазми починає давати її турбулентність, що виникає при розвитку так званих мікронеустойчивостей (див. Плазма ) .

  Для потужних імпульсних пінчей в розрідженому дейтерії характерний, що за деяких умов вони стають джерелами жорстких випромінювань (нейтронного і рентгенівського). Це явище вперше було виявлене в СРСР в 1952.

  Хоча в простих варіантах пінчей і не удалося вирішити завдання УТС, розряди, що самосжімающиеся, з'явилися своєрідною школою плазмових досліджень, дозволивши отримувати щільну плазму з часом життя хоча і малим, але достатнім для вивчення фізики П.-э., створити всілякі методи діагности плазми, розвинути сучасну теорію процесів в ній. Еволюція установок, використовуючих П.-э., привела до створення багатьох типів плазмових пристроїв, в яких нестійкості П.-э. або стабілізуються за допомогою зовнішніх магнітних полів («Токамаки», Q-пінчи і т.д.), або самі ці нестійкості використовуються для здобуття короткоживучої надщільної плазми в так званих «швидких» процесах («плазмовий фокус», «мікро-пінчи»). Тому в даний час (1975) істотне місце в національній і міжнаціональній програмах вирішення проблеми УТС (СРСР, США, Європейське співтовариство по атомній енергії ) відводиться системам, в основі яких лежить П.-э.

  П.-э. має місце не лише в газовому розряді, але і в плазмі твердих тіл, особливо в так званій сильно виродженій електронно-дірковій плазмі напівпровідників .

 

  Літ.: Арцимовіч Л. А., Елементарна фізика плазми, 3 видавництва, М., 1969, Пост Р., Високотемпературна плазма і керовані термоядерні реакції, пер.(переведення) з англ.(англійський), М. 1961; Стіл М., Вюраль Би., Взаємодія хвиль в плазмі твердого тіла, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1973.

  Т. І. Філіппова, Н. Ст Філіппов.