книги из ГПНТБ / Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества

41

камеры, имеющей форму цилиндра, то заряженные частицы будут двигаться вдоль камеры параллель­ но ее оси. Если в том же направлении приложено магнитное поле, то заряженные частицы будут на­ виваться на его силовые линии, то есть начнут дви­ гаться по окружностям. Одновременное наложение этих двух полей вызовет движение частиц плазмы по спиралям, причем это движение ,не будет совпа­

дать с направлением как электрического,, тан и маг­ нитного поля.

Однако нужно учесть еще и собственные элек­ трические и магнитные поля в плазме, вызванные движением ее частиц. В плазме, полученной, напри­ мер, нагреванием, частицы движутся самым хаоти­ ческим образом, так что создаваемые ими поля «скрещиваются», усиливая и ослабляя друг друга, совершенно беспорядочно. Но стоит только внести извне «порядок» в плазму, например, зажечь в ней электрическую дугу (собственно, тогда плазма и принимает форму дуги), как плазменные поля сде­ лают ее в некотооых случаях до­ вольно устойчивой.

Опытные курильщики легко вы­ дувают изо рта дымовые кольца. В кольцах находится по существу воздух, частички дыма только про­ являют движение молекул воздуха. Трудно себе представить, что из га­ за может образоваться фигура. Но, присмотревшись, в кольце можно заметить упорядоченное вихревое движение дыма. Это-то движение, иными словами, упорядоченное дей­ ствие «собственных» механических сил в колечке, и делает кольцо

42

устойчивым. Аналогично ведет себя плазмоид, толь­ ко в нем действуют уже не механические, а элек­ трические и магнитные силы.

Из электрической дуги определенным измене­ нием магнитного поля также можно «выдуть» колечко, но уже плазменное. Оторвав- (ш шись от дуги, плазменное колечко движется совершенно самостоятель­ но. Внешними полями можно изме­ нить его форму. Например, двигаясь через магнитное поле, плазмоид из кольца вытягивается в трубку, ось которой совпадает с направлением поля. Если плазмоид движется не в пустоте, а в разреженном газе, он

быстро сворачивается в жгут.

Q L Очень интересно ведут себя коль­

цевые плазмоиды при встрече друг с другом. Как правило, они взаимно отталкиваются за счет действующих между ними электромагнитных сил. Но иногда все же плазмоиды, встре­ чаясь, не отталкиваются, а разру­ шают друг друга, причем, как пра­ вило, не до основания — осколки

Sплазмоидов оказываются тоже до­ вольно устойчивыми. При встрече

43

моидов — так называемый шнур — будет играть большую роль в нашем дальнейшем рассказе. На­ конец, плазмоиды также используются как сгустки быстро движущейся плазмы, что важно для неко­ торых случаев ее применения.

Чем выше токи и напряжения в плазме, тем все более неустойчивой становится она, тем труднее «успокоить» ее и направить по пути, нужному уче­ ным. С ростом температуры резко растут собствен­ ные плазменные силы, и овладеть ими, как показали опыты ученых в последние годы, очень трудно.

КАК ПОДОГРЕТЬ ПЛАЗМУ?

Повышение температуры плазмы представляет не праздный интерес. -В обычной .вольтовой дуге она составляет около четырех тысяч градусов. Этой температуры достаточно, чтобы резать и сваривать металл, но не мгновенно: дуга должна прогреть металл. Чтобы эти операции производились быст­ рее, надо .поднять температуру плазмы в дуге.

В последние годы все более широкое применение получают жаропрочные материалы: металлические сплавы, керамика, соединения металлов с керами­ кой. Из них изготовляют внутренние обкладки до­ менных печей и печёй для обжига цемента, баки, в которых протекают при высоких температурах хи­ мические процессы, сопла двигателей в реактивных самолетах и ракетах и многое другое. Но как обра­ батывать изделия из жаропрочных материалов? Это, очевидно, можно делать лишь при темпера­ турах выше тех, на которые рассчитана служба этих изделий- А последние достигают многих ты­ сяч градусов! И здесь встает та же проблема: необ­ ходимо повысить температуру плазмы,

44

Ёысокйтёмпературная плазма может, кроме того, резко повысить производительность в метал­ лургической и химической промышленности: ведь все химические реакции сильно ускоряются при по­ вышении температуры. Одним словом, применение горячей плазмы сулит немалые перспективы в са­ мых различных областях народного хозяйства.

Как же подогреть плазму? Опыты в этом направ­ лении велись уже давно.

Мощный импульс тока пропускали через тонень­ кую проволочку, это .вызывало ее испарение. Сопро­ тивление проволочки току было настолько велико, что вся энергия тока переходила в тепло. И это тепло выделялось за столь короткое время, что про­ исходил «взрыв» проволочки. Таким способом уда­ валось на очень короткое время получать плазму с температурой до 30—50 тысяч градусов.

Другой способ, тоже известный довольно давно, заключался во встречном подрыве двух или более зарядов взрывчатого вещества. Взрывные' волны либо по специальным каналам, либо подбором взаимного расположения зарядов сводились в одну маленькую область. «Сшибаясь» друг с другом, эти волны резко поднимали давление и температуру в месте их встречи. Таким путем удавалось, тоже на

Ведь для промышленности нужны высокие темпе­ ратуры не на миллионные и тысячные доли секун­ ды, как при взрывах, а на дни или по меньшей мере на часы.

Вернемся к электрической дуге. Она дает высо­ кую температуру и вместе с тем горит сравнительно

45

Продолжительное время — Правда, не столь долго,

как хотелось бы. Положительный электрод дуги быстро сгорает, а затем прекращается и сама дуга. Значит, надо так усовершенствовать дугу, чтобы она горела достаточно долго и, кроме того, давала в три-четыре раза более высокую температуру. Встает и еще одна задача: «изолировать» дугу так, чтобы она не могла расплавить стенок камеры, в которой будет гореть.

Прежде всего, зачем нужна камера? Дуговая сварка и резка металлов, как мы знаем, всегда ве­ дутся на открытом воздухе. Но посмотрим, что при этом происходит: разогревшиеся в дуге атомы воз­ духа быстро ускользают из дуги вверх (Теплый воз­ дух легче холодного), а на их место приходит но­ вые, холодные атомы из окружающего воздуха. Такой ветерок, дующий вверх от дуги, выгибает «шнур» раскаленного газа в дугу, отчего и произо­ шло само название «электрическая дуга». Здесь подводимая к дуге энергия все время расходуется на нагрев новых и новых порций газа. Камера и нужна затем, чтобы не выпустить разогретую плаз­ му, чтобы не пропала даром энергия, затраченная на ее нагрев.

Начнем поднимать давление газа в камере, на­ качивай в нее новые порции газа. Очевидно, при этом ионы плазмы будут чаще сталкиваться друг с другом, обмениваться энергией, все меньше оста­ нется в плазме холодных частиц. Доведем давление до нескольких сот атмосфер. Плазма сразу ответит на это значительным повышением ионной темпера­ туры: 5,6... 10 тысяч градусов. Мы видим, что ион­ ная температура начинает постепенно приближать­ ся к электронной, которая в дуге составляет около сотни тысяч градусов. Продолжаем повышать дав­

46

ление. Но теперь температура перестает изме­ няться. ■

В чем же дело? То, что температура «застряла» на месте", говорит о следующем: сколько энергии по­ ступает в плазму, столько же уходит в виде тепла через стенки камеры. Попробуем увеличить ток в дуге, то есть подводимую в плазму энергию. Мы отметим небольшое увеличение температуры, ню и только. Ясно, что чем больше энергии подводится в плазму, тем больше ее ускользает через стенки.

Встает вторая задача — не только изолировать дугу от окружающего воздуха, но и изолировать от дуги сами стенки камеры. Это очень нелегкая за­ дача. Но все же после многочисленных поисков она была решена. В одном из вариантов в камеру под небольшим углом к ее стенкам сильным напо­ ром вводится водяная струя. В камере струя «раз­ мазывается» в тонкую пленку воды, с большой ско­ ростью вращающуюся по опирали вдоль стенок ка­ меры; последняя для этой цели сделана в виде ци­ линдра. Эта водяная пленка отбирает на себя тепло дуги. Все новые и новые порции воды вводятся в

камеру и, окружая подвижным водяным кольцом ее стенки, выходят с другого конца, унося с собой теп­ ло и создавая тепловую защиту стенок.

47

Впрочем, «вода выходит» — это неточное опрёделение: на выходном конце камеры вода выбрасы­ вается в виде огненного столба, в сопровождении громовых раскатов. Это — непрерывные взрывы гремучего газа, которые едва не стоили жизни первым смельчакам, пытавшимся разложить воду. Разложение воды на газообразные кислород и водо­ род, тут же соединяющиеся в гремучий газ, здесь ведет очень высокая температура дуги, достигаю­ щая 55 тысяч градусов. Однако сама дуга величи­ ной бывает «чуть поболее наперстка». Попытки укрупнить такую дугу встречают очень большие трудности.

ПЛАЗМА ПЕРЕСТАЕТ ПОВИНОВАТЬСЯ

Попробуем поднимать температуру плазмы и в такой маленькой дуге, все более увеличивая давле­ ние в ней и .подводимый к ней ток. Увы, из этого почти ничего не получается: после небольшого подъема температуры ее рост опять останавливает­ ся. Может быть, причина в пробое теплоизоляции стенок? Нет, на сей раз дело заключается в другом.

Теперь новые порции энергии, подводимой в -плазму, «удирают» из >нее не в виде тепла, а в виде све('а, .как в холодной ртутной дуг-е. Чем больше энергии вводится в плазму, тем ярче светится плаз­ ма, но температура ее не поднимается ни на градус.

Почему же не установить в камере зеркальные стенки и не «загонять» весь испускаемый плазмой свет обратно в нее же? С подобной задачей, правда, в несколько ином виде, столкнулся герой фантасти­ ческой повести А. Н. Толстого инженер Гарин, пы­ тавшийся сконструировать свой знаменитый гипер­ болоид.

48

Дело здесь заключается в том, что ни одно рёальное зеркало (а идеальных, стопроцентно отра­ жающих зеркал не существует и не может сущест­

энергии, которая в веществе зеркала перейдет в теп­ ло, то уже всего 0 , 1 процента поглощенной зерка­

лом энергии в данном случае хватит, чтобы очень быстро расплавить его!

Значит, с помощью зеркала мощное лучеиспус­ кание плотной плазмы в камере сосредоточить не­ возможно.-Нужны какие-то другие способы.

ЧТО ТАКОЕ ТЕМПЕРАТУРА ПЛАЗМЫ

Мы уже видели, что понятие температуры плаз­ мы имеет несколько условный характер: в плазме одновременно могут существовать несколько раз­ ных температур. Остановимся на этом интересном вопросе немного подробнее.

В обиходе высокая температура обычно харак­ теризуется словами «жарко», «горячо», низкая тем­ пература имеет синоним «холодно». Эти слова пере­ вела на язык цифр так называемая молекулярно­ кинетическая теория вещества, связав температуру со скоростью движения молекул в телах.

Чем выше эта скорость, тем больше температу­ ра, и наоборот. Если бы температура могла сни­ зиться до так называемого абсолютного нуля, со­ ставляющего примерно — 273 градуса по шкале Цедьсия, то молекулы прекратили бы поступатель­ ное движение и смогли бы только дрожать на месте.

Если нагревать газ, то быстрота усваивания