Механизм П—э. можно рассмотреть на примере z-пинча. Силовые линии магн. поля В, создаваемого током, имеют вид концентрич. окружностей, плоскости к-рых перпендикулярны оси. Возникающая электро-динамич. сила F, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока j, равна с-1 [jВ], направлена по радиусу к оси цилиндра и вызывает сжатие токового канала. Сжимающее действие протекающего тока можно считать также простым следствием закона Ампера о магн. притяжении отд. параллельных токовых нитей с одинаковым направлением, создающих полный ток J.
Реализация
Плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяются в различных областях техники: в частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия. Одним из примеров применения эффекта в низкотемпературной плазме является ртутный выпрямитель, а также генераторы низкотемпературной плазмы.
Если электрическую дугу пропускать через охлаждаемое сопло и одновременно обдувать газом, то дуга сжимается, причем на границе электрического разряда наблюдается интенсивный теплообмен и деионизация.
Отдел импульсной техники СО РАН
В отделе импульсной техники под руководством академика Б.М.Ковальчука разрабатываются крупнейшие электрофизические установки для фундаментальных исследований и отработки новых технологий. В их числе тераваттные генераторы ГИТ-12 и ГИТ-4, десятки других универсальных и специализированных устройств.
Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
Сужение плазмы в плазменный шнур
В стационарных условиях должно существовать равновесие между газокинетическим давлением, стремящимся расширить плазменный шнур, и электродинамическими силами, которые сжимают его. Условие равновесия в общем случае имеет вид:
Соотношение, связывающее силу тока со средним давлением в плазменном шнуре:
I 2 A = 200 p R 2 p,
Пинч-эффект появляется в токовом канале, например в цилиндре, заполненном проводящей средой. Электрическое поле приложено к противоположным концам цилиндра и действует по его оси. Силовые линии магнитного поля имеют вид концентрических окружностей, плоскости которых перпендикулярны к оси цилиндра. Сила направлена к оси цилиндра и стремится сжать проводящую среду.
Пинч-эффект имеет место в твердотельной плазме (при равной концентрации носителей заряда противоположных знаков) и в низкотемпературной плазме.
Время оптимального проявления (log t k от 0 до 3).
Технические реализации эффекта
В разрядной трубке поджигается дуговой разряд. По мере увеличения силы тока визуально наблюдается утоньшение (контракция) разрядного шнура. Это видно на рис. 2.
Пинч-эффект в прямой разрядной трубке
Плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяются в различных областях техники: в частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия.
Одним из примеров применения эффекта в низкотемпературной плазме является ртутный выпрямитель, а также генераторы низкотемпературной плазмы.
Если электрическую дугу (рис. 3) пропускать через охлаждаемое сопло и одновременно обдувать газом, то дуга сжимается, причем на границе электрического разряда наблюдается интенсивный теплообмен и деионизация.
Происходит сжатие столба дуги, и усиливается сжимающее действие собственного магнитного поля дуги. В результате увеличивается напряженность электрического поля разряда, электрическая мощность, выделяющаяся в единице объема столба дуги. Температура по оси дуги повышается и может достигать величин, характерных для низкотемпературной плазмы, т.е. 20 ё 50 тыс. К.
1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.
2. Бреховских Л.М., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных сред.- М.: Наука, 1982.
Пинч-эфф е кт (от англ. pinch — сужение, сжатие), эффект самостягивания разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это явление описано в 1934 американским учёным У. Беннетом применительно к потокам быстрых заряженных частиц в газоразрядной плазме. Термин «П.-э.» введён в 1937 английским физиком Л. Тонксом при исследовании дугового разряда.
Механизм П.-э. проще всего понять на примере тока I, текущего вдоль оси цилиндра, заполненного проводящей средой. Силовые линии магнитного поля, создаваемого I, имеют вид концентрических окружностей, плоскости которых перпендикулярны оси цилиндра. Электродинамическая сила, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока j, в СГС системе единиц равна 1 /c × [jb] и направлена к оси цилиндра, стремясь сжать среду. Возникающее состояние и есть П.-э. (Здесь квадратные скобки обозначают векторное произведение; с — скорость света в вакууме; В — магнитная индукция в рассматриваемом единичном объёме.) П.-э. можно считать также простым следствием Ампера закона о магнитном притяжении отдельных параллельных токовых нитей (элементарных токовых трубок), совокупностью которых является токовый цилиндр. Магнитному сжатию препятствует газокинетическое давление проводящей среды, обусловленное тепловым движением её частиц; силы этого давления направлены от оси токового канала. Однако при достаточно большом токе перепад магнитного давления становится больше газокинетического и токовый канал сжимается — возникает П.-э.
Для П.-э. необходимо примерное равенство концентраций носителей зарядов противоположного знака в среде. В потоках же носителей зарядов одного знака электрическое поле пространственного заряда эффективно препятствует сжатию тока. Прохождение достаточно больших токов через газ сопровождается его переходом в состояние полностью ионизованной плазмы, состоящей из заряженных частиц обоих знаков. П.-э. в этом случае отжимает плазменный шнур (токовый канал) от стенок камеры, в которой происходит разряд. Т. о. создаются условия для магнитной термоизоляции плазмы. Этим свойством мощных самосжимающихся разрядов (их называют пинчами) объясняется возникший в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) интерес к П.-э., как к наиболее простому и обнадёживающему механизму удержания высокотемпературной плазмы.
Условия, при которых газокинетическое давление плазмы nk (Te + Ti) становится равным магнитному давлению поля тока I, описываются соотношением Беннета: (2I/cr) 2 /8 p = nk (Te + Ti). Здесь n — число частиц в единице объёма, r — радиус пинча; Te и Ti — электронная и ионная температуры, соответственно; n — число электронов в единице объёма (равное из условия квазинейтральности плазмы числу ионов); k — Больцмана постоянная. Из формулы Беннета следует, что для достижения минимальной температуры (Т
10 8 К), при которой термоядерный синтез может представлять интерес как источник энергии, требуется хотя и большой, но вполне осуществимый ток
10 6 а. Исследование пинчей в дейтерии началось в 1950—51 одновременно в СССР, США и Великобритании в рамках национальных программ по УТС. При этом основное внимание уделялось двум типам пинчей — линейному и тороидальному. Предполагалось, что плазма в них при протекании тока будет нагреваться не только за счёт её собственного электрического сопротивления (джоулев нагрев), но и при так называемом адиабатическом (т. е. происходящем без обмена энергией с окружающей средой) сжатии пинча. Однако в первых же экспериментах выяснилось, что П.-э. сопровождается развитием различных плазменных неустойчивостей (см. Магнитные ловушки). Образовывались местные пережатия («шейки») пинча, его изгибы и винтовые возмущения («змейки»). Нарастание этих возмущений происходит чрезвычайно быстро и ведёт к разрушению пинча (его разрыву или выбрасыванию плазмы на стенки камеры). Оказалось, что простейшие пинчи подвержены практически всем видам неустойчивостей высокотемпературной плазмы и могут служить как для их изучения, так и для испытания разных способов стабилизации плазменного шнура. Ток
10 6 а в установках с линейным пинчём получают при разряде на газовый промежуток мощных конденсаторных батарей. Скорости нарастания тока в отдельных случаях
10 12 а/сек. При этом наиболее существенным оказывается не джоулев нагрев, а электродинамическое ускорение к оси токового шнура его тонкой наружной оболочки (скин-слоя; см. Скин-эффект), сопровождающееся образованием мощной сходящейся к оси ударной волны. Превращение накопленной такой волной энергии в тепловую создаёт плазму с температурой, намного более высокой, чем мог бы дать джоулев нагрев. С др. стороны, преобразование в пинче энергии электрического тока в тепловую становится значительно эффективнее, когда определяющий вклад в электрическое сопротивление плазмы начинает давать её турбулентность, возникающая при развитии так называемых микронеустойчивостей (см. Плазма).
Для мощных импульсных пинчей в разрежённом дейтерии характерно, что при некоторых условиях они становятся источниками жёстких излучений (нейтронного и рентгеновского). Это явление впервые было обнаружено в СССР в 1952.
П.-э. имеет место не только в газовом разряде, но и в плазме твёрдых тел, особенно в так называемой сильно вырожденной электронно-дырочной плазме полупроводников.
Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969, Пост Р., Высокотемпературная плазма и управляемые термоядерные реакции, пер. с англ., М., 1961; Стил М., Вюраль Б., Взаимодействие волн в плазме твёрдого тела, пер. с англ., М., 1973.
Механизм П.-э. проще всего понять на примере тока I, текущего вдоль оси цилиндра, заполненного проводящей средой. Силовые линии магнитного поля, создаваемого I, имеют вид концентрических окружностей, плоскости которых перпендикулярны оси цилиндра. Электродинамическая сила, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока j, в СГС системе единиц равна 1/c × [jb] и направлена к оси цилиндра, стремясь сжать среду. Возникающее состояние и есть П.-э. (Здесь квадратные скобки обозначают векторное произведение ; с ≈ скорость света в вакууме; В ≈ магнитная индукция в рассматриваемом единичном объёме.) П.-э. можно считать также простым следствием Ампера закона о магнитном притяжении отдельных параллельных токовых нитей (элементарных токовых трубок), совокупностью которых является токовый цилиндр. Магнитному сжатию препятствует газокинетическое давление проводящей среды, обусловленное тепловым движением её частиц; силы этого давления направлены от оси токового канала. Однако при достаточно большом токе перепад магнитного давления становится больше газокинетического и токовый канал сжимается ≈ возникает П.-э.
Для П.-э. необходимо примерное равенство концентраций носителей зарядов противоположного знака в среде. В потоках же носителей зарядов одного знака электрическое поле пространственного заряда эффективно препятствует сжатию тока. Прохождение достаточно больших токов через газ сопровождается его переходом в состояние полностью ионизованной плазмы, состоящей из заряженных частиц обоих знаков. П.-э. в этом случае отжимает плазменный шнур (токовый канал) от стенок камеры, в которой происходит разряд. Т. о. создаются условия для магнитной термоизоляции плазмы. Этим свойством мощных самосжимающихся разрядов (их называют пинчами) объясняется возникший в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) интерес к П.-э., как к наиболее простому и обнадёживающему механизму удержания высокотемпературной плазмы.
108К), при которой термоядерный синтез может представлять интерес как источник энергии, требуется хотя и большой, но вполне осуществимый ток
106а. Исследование пинчей в дейтерии началось в 1950≈51 одновременно в СССР, США и Великобритании в рамках национальных программ по УТС. При этом основное внимание уделялось двум типам пинчей ≈ линейному и тороидальному. Предполагалось, что плазма в них при протекании тока будет нагреваться не только за счёт её собственного электрического сопротивления (джоулев нагрев), но и при так называемом адиабатическом (т. е. происходящем без обмена энергией с окружающей средой) сжатии пинча. Однако в первых же экспериментах выяснилось, что П.-э. сопровождается развитием различных плазменных неустойчивостей (см. Магнитные ловушки ). Образовывались местные пережатия («шейки») пинча, его изгибы и винтовые возмущения («змейки»). Нарастание этих возмущений происходит чрезвычайно быстро и ведёт к разрушению пинча (его разрыву или выбрасыванию плазмы на стенки камеры). Оказалось, что простейшие пинчи подвержены практически всем видам неустойчивостей высокотемпературной плазмы и могут служить как для их изучения, так и для испытания разных способов стабилизации плазменного шнура. Ток
106 а в установках с линейным пинчём получают при разряде на газовый промежуток мощных конденсаторных батарей. Скорости нарастания тока в отдельных случаях
Для мощных импульсных пинчей в разрежённом дейтерии характерно, что при некоторых условиях они становятся источниками жёстких излучений (нейтронного и рентгеновского). Это явление впервые было обнаружено в СССР в 1952.
Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969, Пост Р., Высокотемпературная плазма и управляемые термоядерные реакции, пер. с англ., М., 1961; Стил М., Вюраль Б., Взаимодействие волн в плазме твёрдого тела, пер. с англ., М., 1973.
Т. И. Филиппова, Н. В. Филиппов.
Википедия
Транслитерация: pinch-effekt Задом наперед читается как: ткеффэ-чнип Пинч-эффект состоит из 11 букв
Опубликовано в in SELF Transactions, 1 (1994), сс. 52- 56
Рассматривается вопрос о динамической неустойчивости пучка одноименно заряженных частиц. Показано, что причиной данной неустойчивости является “выворачивание” пучка под воздействием силы Лоренца вследствие различия скоростей центральных и периферийных частиц пучка. Предполагается, что именно данная неустойчивость является одной из главных причин невозможности достижения требуемой степени обжатия плазменного шнура в ТОКАМАКах.
Ключевые слова: физика плазмы, неустойчивость плазмы, пондеромоторные силы, сила Лоренца, стеллараторы, ТОКАМАК
Пинч-эффект достаточно наблюдался и исследовался экспериментально, но полная его теоретическая разработка практически отсутствует. Так, до сих пор нет объяснения, почему пинч-эффект обжимает также и проводник или плазму, по которым течет ток. Поэтому наблюдаемый А. Борзых эффект сжатия пучка однозарядных частиц необходимо, как мне представляется, рассмотреть и с позиций пинч-эффекта.
Это, несомненно, не только поможет полнее понять причину сжатия пучка таких частиц, но и расширит наше представление об этом эффекте.
К эффекту сжатия потока однозарядных частиц привели и мои исследования, связанные с изучением природы электрической искры и молнии (заявка на предполагаемое открытие от 1976 года). Эти исследования показали, что таким потоком может быть сепарированная от электронов, а стало быть, положительная плазма, выстреливаемая из разрядного промежутка и летящая в среде со скоростью, близкой к скорости света (лишь на 1- 2 порядка ниже). Такая плазма создает ионизованные треки, называемые лидер ами и стримерами, а также раскаленные искры.
Причиной сжатия тока пинч-эффектом, как известно, является сила Лоренца, действующая на летящие в магнитном поле заряды.
Эта сила определяется по формуле
а при движении потока в сплошных средах разница между максимально возможной и минимальной скоростями частиц будет возрастать пропорционально степени взаимодействия с веществом. При этом появляется взаимная разность скоростей между частицами, а следовательно, и взаимодействие между ними на основании силы Лоренца. Этот фактор в формуле (2) отражения не находит. Поэтому было бы более правильным, как мне представляется, заменить в ней скорость на разностную:
Если вернуться к проблеме ТОКАМАКа или обжатия пинч-эффектом проводников и плазмы, например, в разрядных промежутках, то образующиеся в результате ионизации слабо подвижные положительные ионы, двигающиеся встречно электронному потоку или закрепленные в узлах кристаллической решетки (в проводнике) обусловливают появление дисперсии скорости частицы и автоматическое сжатие проводника и выворачивание шнура плазмы, а стало быть, известный пинч-эффект.
Итак, доказан факт существования сил внутреннего взаимодействия между частицами одноименного заряда, определяющий известные, но не объясненные экспериментально работы, что, надеюсь, позволит преодолеть имеющиеся в настоящее время трудности в достижении положительных результатов в физике высоких энергий и в частности в решении проблемы создания управляемого термоядерного синтеза.
1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.