Шпоры по физике I поток от В. Макаренко

33. Плазма, еѐ возникновение, радиус Дебая, плазменные колебания. ПЛАЗМА – частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной. Чтобы получить термическим путем полную ионизацию плазмы большинства газов, нужно нагреть их до температур в десятки/сотни тысяч градусов. Общепринятым способом получения плазмы в лабораторных условиях и технике является использование электрического газового разряда. Газовый разряд представляет собой газовый промежуток, к которому приложена разность потенциалов. В промежутке образуются заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле, т.е. создают ток. Для поддержания тока в плазме нужно, чтобы отрицательный электрод (катод) испускал в плазму электроны. Эмиссию электронов с катода можно обеспечивать различными способами, например нагреванием катода до достаточно высоких температур (термоэмиссия), либо облучением катода каким-либо коротковолновым излучением (рентгеновские лучи, -излучение), способным выбивать электроны из металла (фотоэффект). Такой разряд, создаваемый внешними источниками, называется несамостоятельным. К самостоятельным разрядам относятся искровой, дуговой и тлеющий разряды, которые принципиально отличаются друг от друга по способам образования электронов у катода или в межэлектродном промежутке. Искровой разряд обычно оказывается прерывистым даже при постоянном напряжении на электродах. При его развитии возникают тонкие искровые каналы (стримеры), пронизывающие разрядный промежуток между электродами и заполненные плазмой (молния). Сам процесс ионизации в плазме газового разряда неразрывно связан с прохождением тока и носит характер ионизационной лавины. Это означает, что появившиеся в газовом промежутке электроны за время свободного пробега ускоряются электрическим полем и перед столкновением с очередным атомом набирают энергию, достаточную для того, чтобы ионизовать атом, т.е. выбить еще один электрон). Таким способом происходит размножение электронов в разряде и установление стационарного тока. Длина и радиус Дебая. Пространственный масштаб разделения заряда или ту характерную длину, ниже которой (по порядку величины) разделение зарядов становится заметным, можно оценить, вычисляя работу по разделению зарядов на расстояние d, которая совершается силами возникающего на длине x электрического поля E = 4n_e ex; ; Эта работа не может превышать кинетическую энергию теплового движения частиц плазмы => разделение заряда - длина Дебая; - радиус Дебая- важнейшая х-ка плазмы. электрическое поле, создаваемое каждой отдельной заряженной частицей в плазме, экранируется частицами противоположного знака и фактически исчезает на расстоянии порядка радиуса Дебая от самой частицы. С другой стороны, величина d определяет глубину проникновения внешнего электрического поля в плазму. Важной характеристикой плазмы является плазменная частота колебаний p. Плазменные колебания – это колебания плотности заряда. Они вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд по инерции «проскакивает» это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля. Таким образом и возникают колебания плотности заряда в плазме. Электронная плазменная частота колебаний определяется при этом выражением

. Ускорители зар. частиц - установки, служащие для ускорения заряж. частиц до высоких энергий. Во всех действующих У. увеличение энергии заряж. частиц происходит под действием внешних продольных (направленных вдоль скорости ускоряемых частиц) электрич. полей. У. включают в себя следующие элементы: источник ускоряемых частиц (электронов, протонов, античастиц); генераторы электрич. или эл--магн. ускоряющих полей; вакуумную камеру, в к-рой движутся частицы в процессе ускорения (в плотной газовой среде ускорение заряж. частиц невозможно из-за их взаимодействия с молекулами газов, заполняющих камеру); устройства, служащие для впуска (инжекции) и выпуска (эжекции) пучка из У.; фокусирующие устройства, обеспечивающие длит, движение частиц без ударов о стенки вакуумной камеры; магниты, искривляющие траектории ускоряемых частиц; устройства для исследования и коррекции положения и конфигурации ускоряемых пучков. В целях радиац. безопасности У. окружаются защитными стенами и перекрытиями. По принципу устройства различают У. прямого действия, или высоковольтные ускорители (ускорение в пост, электрич. поле), индукционные ускорители (ускорение в вихревых электрич. полях, возникающих при изменении магн. индукции) и резонансные У., в к-рых при ускорении используются В Ч эл--магн. поля. Современные У. делятся на два больших класса: линейные (траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям) и циклические (частицы во время ускорит. цикла движутся по траекториям, близким к окружности либо спирали). Электронные ускорители: Особенности электронных у. связаны с двумя причинами. Скорость электронов и позитронов уже при небольших энергиях (неск. МэВ) мало отличается от скорости света и обычно может считаться постоянной, что существенно упрощает и удешевляет У. Но, с др. стороны, электроны и позитроны в магн. полях теряют много энергии на эл--магн. излучение (синхротрон-ное излучение}. В циклич. У. эти потери приводят либо к огромным размерам У. (при больших радиусах кривизны потери на синхротронное излучение уменьшаются), либо к необходимости иметь мощные ускоряющие станции, сильно удорожающие У. Синхротронное излучение играет и положит, роль: оно приводит к уменьшению размеров ускоряемого пучка, что облегчает создание накопителей, позволяющих проводить опыты на встречных пучках. Ускорители тяжёлых частиц (преим. протонов) сильно отличаются от электронных У. Потери энергии на синхротронное излучение в них при достигнутых в наст, время энергиях (~ \ ТэВ) практически отсутствуют, и поддерживать высокий темп ускорения обычно оказывается невыгодно (т. к. мощность, затрачиваемая на питание ускоряющих станций, пропорциональна квадрату напряжённости электрич. поля и быстро растёт с увеличением темпа ускорения). Отсутствие заметного синхротронного излучения приводит к тому, что амплитуда поперечных колебаний частиц в процессе ускорит, цикла затухает сравнительно медленно (как квадратный корень из импульса частиц), и устойчивость движения в отсутствие спец. мер нарушается под действием даже сравнительно слабых возмущений. Все У. тяжёлых частиц на высокие-энергии принадлежат к типу циклических. Ускорители прямого действия. В таких У. заряж. частицы увеличивают энергию в постоянных или квазипостоянных (не меняющихся за время, в течение к-рого частицы набирают полную энергию) электрич. полях. Энергия, приобретаемая частицами, равна в этом случае их заряду, умноженному на пройденную разность потенциалов. Резонансные ускорители. В резонансных У. для увеличения энергии заряж. частиц используются ВЧ продольные электрич. поля. Ускорение в таких полях возможно при выполнении одного из двух условий: либо ускоряемые частицы должны двигаться вместе с эл--магн. волной, сохраняя своё положение относительно неё (ускорители с бегущей волной), либо они должны взаимодействовать с ней только в такие моменты времени, когда электрич. поле имеет нужное (ускоряющее) направление и нужную величину (собственно резонансные У.). У. с бегущей волной применяют в осн. для ускорения лёгких частиц (электронов и позитронов), скорость к-рых уже при небольших энергиях мало отличается от скорости света. Фазовая скорость эл--магн. волн в вакуумных волноводах всегда превышает скорость света; нагружая волноводы системой перфорир. диафрагм, можно замедлить скорость волны, но не очень сильно. Поэтому для ускорения медленных частиц У. с бегущей волной не применяют.

35. Магнитное удержание плазмы. Магнитное поле не ускоряет и не замедляет движения заряженных частиц, а всего лишь искривляет их траектории. Исследование особенностей поведения плазмы в магнитных полях вышло на первый план, когда встала проблема реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС). Сущность проблемы заключается в том, чтобы осуществить на Земле те же реакции ядерного синтеза (превращение водорода в гелий), которые служат источниками энергии Солнца и других звезд. Сами эти реакции могут протекать лишь при сверхвысоких температурах (порядка сотен миллионов градусов), поэтому вещество в термоядерном реакторе представляет собой полностью ионизованную плазму. Очевидно, главная трудность состоит в том, чтобы изолировать эту высокотемпературную плазму от стенок реактора. Если создать однородное магнитное поле внутри прямой трубы, заполненной плазмой, то заряженные частицы будут закручиваться вокруг силовых линий магнитного поля, перемещаясь только вдоль трубы, чтобы избежать ухода частиц через концы трубы, можно соединить оба ее конца, т.е. согнуть трубу в «бублик». Труба такой формы представляет собой тор, а соответствующее устройство носит название тороидальной магнитной ловушки. Магнитное поле внутри тора создается с помощью намотанной на него проволочной катушки, по которой пропускается ток. ; Однако, эта простая идея сразу наталкивается на ряд трудностей, которые связаны, в первую очередь, с дрейфовыми движениями плазмы. Поскольку силовые линии магнитного поля в тороидальной ловушке представляют собой окружности, можно ожидать центробежный дрейф частиц к стенкам ловушки. Кроме того, в силу принятой геометрии установки, витки с током располагаются на внутренней окружности тора ближе друг к другу, чем на внешней, поэтому индукция магнитного поля увеличивается по направлению от внешней стенки тора к внутренней, что очевидным образом приводит к градиентному дрейфу частиц к стенкам ловушки. Оба вида дрейфа частиц вызывают движение зарядов противоположного знака в разные стороны, в результате вверху образуется избыток отрицательных зарядов, а внизу – положительных. Это приводит к появлению электрического поля, которое перпендикулярно магнитному полю. Возникшее электрическое поле вызывает электрический дрейф частиц и плазма как целое устремляется к наружной стенке. Так что оздать в ней магнитное поле специального типа, так чтобы линии магнитной индукции представляли собой не окружности, а винтовые линии, навивающиеся на тороидальную поверхность. Такое магнитное поле можно создать либо с помощью специальной системы катушек, либо закручивая тор в фигуру, напоминающую цифру восемь («восьмерку»). Соответствующие устройства носят название стеллараторов (от слова «стеллар» – звездный). Другой способ, также позволяющий компенсировать дрейф плазмы в тороидальной ловушке, состоит в возбуждении вдоль тора электрического тока прямо по плазме. Систему с кольцевым током назвали токамак (от слов «токовая камера», «магнитные катушки»). Существуют и другие идеи магнитного удержания плазмы. Одна из них заключается, например, в создании ловушек с магнитными «пробками» или так называемых «пробкотронов» (рис 4). В таких устройствах силовые линии продольного магнитного поля, сгущаются по направлению к торцам цилиндрической камеры, в которой находится плазма, напоминая своей формой горлышко бутылки. Уходу заряженных частиц на стенки поперек продольного магнитного поля препятствует их закручивание вокруг силовых линий. Нарастание магнитного поля к торцам обеспечивает выталкивание циклотронных кружков в область более слабого поля, что и создает эффект магнитных «пробок». Магнитные «пробки» называют иногда магнитными зеркалами, от них, как от зеркала, отражаются заряженные частицы.

1. Линии напряженности электрического поля и эквипотенциальные поверхности. Работа силы электрического поля. Потенциал Связь между напряженностью и потенциалом. Поле вне и внутри объемно заряженного шара.

2. Электрический диполь в однородном и неоднородном поле (вращательный момент, энергия, сила).

3. Поле одной и двух заряженных плоскостей.

4. Электрическое поле равномерно заряженного диска.

5. Дипольный электрический момент системы зарядов. Поле электрического диполя.

6.Энергия системы точечных зарядов. Энергия заряженного проводника.

7. Проводник в электрическом поле. Распределение заряда в проводнике. Условия на границе двух диэлектриков для векторов Е и D.

8 .Циркуляция и ротор электрического поля (E и D).

9. Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора.

10. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электрического поля. Плотность энергии.

11. Связь между поляризованностью диэлектрика и объемной плотностью связанных зарядов.

12. Закон Ома и закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.

13. Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Правила Кирхгофа.

14. Поле в диэлектрике. Вектор электрического смещения.

15. Теорема Гаусса для вектора электрического смещения и для вектора магнитной индукции

16. Закон Био-Савара. Магнитное поле равномерно движущегося заряда. Поле в центре и на оси кругового тока.

17. Сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле. Закон Ампера

18. Сила Лоренца. Закон Ампера. Сила взаимодействия параллельных токов.

19. Поле бесконечно прямого тока. Контур с током в однородном и неоднородном магнитном поле (вращательный момент, энергия, сила). Теорема Гаусса для вектора B.

20. Циркуляция и ротор магнитного поля (B и H). Поле соленоида и тороида.

21. Условия на границе двух магнетиков для векторов B и H. Намагниченность магнетика. Связь между намагниченностью и плотностью молекулярных токов.

22. Магнитные свойства диа- и парамагнетиков.

23. Магнитные свойства ферромагнетиков.

24. Энергия магнитного поля. Плотность энергии

25. Явление электромагнитной индукции. Э.Д.С. индукции. Правило Ленца.

26. Явление самоиндукции. Индуктивность соленоида.

27. Ток смещения. Полный ток. Уравнения Максвелла.

28. Опыты, подтверждающие наличие свободных электронов в металлах

29. Классическая теория проводимости металлов. Закон Ома.

30. Мощность тока. Удельная тепловая мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.

31. Опыт Милликена по определению заряда электрона.

32. Диамагнетизм, причины и физический смысл, ларморовская частота прецессии.

33. Плазма, её возникновение, радиус Дебая, плазменные колебания.

34. Ускорители заряженных частиц

35. Магнитное удержание плазмы.

.

.