Плазма четвертое состояние вещества (стр. 3 из 7)

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

Рис.10

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

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

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

могут просачиваться через магнитные пробки.

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

Плазменное покрывало Земли

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

Рис.11

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

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

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

Рис.12

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

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.