Техника - молодёжи 1958-03, страница 17

Между температурами химических реакций, которыми мы сейчас пользуемся, и температурами расщепления и синтеза атомных ядер лежит обширная, еще не исследованная область, представляющая особый интерес для ученых н инженеров а столь различных областях, как астрофивика и аэродинамика.

Верхний предел температур при химических реакциях лежит около 6000°. Выше 6000° молекулярные связи рав-рывают я и даже самые устойчивые вещества испаряются. Вследствие столкновения атомов электроны из них выбиваются и пар превращается в смесь свободных влектронов и положительных ионов с примесью нейтральных атомов. Электроны сталкиваютсв между собою н с ионами, заставляя пар светиться. С ростом температуры яркость свечения увеличивается. Облако материи в таком возбужденном состоянии называется плазмой. Поведение ее обусловлено сложными взаимодействиями между электромагнитными и механическими силами; оио является содержанием теории магнитогидродинамики. еще далекой от ва-вершеиня.

В настоящее время плазма очень интенсивно изучается в лабораториях. Тем ие менее мы пользуемся плазмой уже давно. Ослепительный свет электрической дуги и мягкое свечение неоновой трубки исходят от плавмы. Поток влектронов и ионов в вакуумной лампе тоже можно считать плазмой, равно как и ноиивироваиный гав, вовбуждающий фосфоры в флуоресцентной лампе. Но большинство этих устройств работает прн сравнительно иивких температурах.

Интересная область плазм начинается выше 12000°, когда виачительная часть атомов оказывается иоиизнроваииой. Технология уже приблизилась к нижнему пределу втой области. Летящая с огромной скоростью ракета создает плав-му, распространяющуюся по воздуху, подобно тому, как метеорит в атмосфере порождает светящуюся плавму, отмечающую его путь.

В области же сверхвысоких температур плавмы ведутся первые опыты по управлению термоядерной реакцией. Трудности здесь велики, так как ии один материал ие может выдержать температуру этих реакций. Их надеются вести в «магнитной бутылке», испольвуя

Габриель М. ДЖАННИНИ Рис. А. ПЕТРОВА

чувствительность плавмы к влектромаг-ннтному воздействию Теория этого вопроса родилась ив отвлеченной науки — астрофизики. Она была разработана впервые для объяснения некоторых движений внутри галактик. Галактики при этом рассматривались как облака, состоящие из звезд, гвза и пыли и находящиеся в электромагнитных полях.

Экспериментаторы пускались на различные хитрости, чтобы добиться высоких температур. Однако все их методы обычно повволяют получить высокую температуру лишь ва мгновение, да и то в специальных условиях сверхвысоких давлений. Г. Расселл нз Приистоиского университета ваблюдал зв взрывами проволок, мгновенно испаряющихся при температурах около 8000° под действием разрядов влектрического тока. Другим исследователям удавалось получать температуры в 20000° и выше с помощью трубки, а которой сквозь разреженный гав проходит взрывная ударная волна.

В настоящей статье говорится об аппарате для получения струи плазмы при атмосферном давлении и температуре от 8000 до 15000°. По сути дела, аппарат состоит ив электрической дуги и остроумной холодильной системы, которая не дает электродам испаряться и в то же время повышает температуру плазмы.

Чтобы понять, каким образом аппарат позволяет получить высокую температуру, рассмотрим сначала, каким путем обычная электрическая дуга превращает влектровнергию в теплоту. Процесс начинается с включением рубильника, когда перепад напряжений в зав ре между электродами вырывает с поверхности катода несколько первых влектронов. Эти электроны получают от поля кинетическую энергию и движутся к аноду со все возрастающей скоростью. Но. не успев еще отойти от него далеко, они сталкиваются с атомами и молекулами воздуха в зазоре и отдают им часть своей кинетической виергии В этих столкновениях часть атомов ионизируется, дввая новые влектроиы, ускоряемые полем. Как только первая струнка влектронов просочилась через искровой промежуток, они начинают вырываться из катода во все больших количествах. Газ в искровом промежутке становится плазмой. Он содержит поток влектронов, идущий от катода к аноду, и противоположный ему поток ионов, идущий к катоду. Столкновения между влектроиами и более крупными частицами все учащаются, перенося кинетическую виергию влектронов иа другие частицы, и газ начинает светиться и нагреваться. Таким обравом, виергия влектронов переходит в энергию ионизации, и часть этой энергии излучается в виде квантов света. На втой стадии плавма бывает такой, какой мы ее видим в влектрической искре.

Струю плавмы получают из влектрической Луги, образующейся между двумя электродами — стержнем и кольцом. Для того чтобы поднять температуру плавмы, в пространство между электродами впрыскивается вода или инертный газ. Обладающая высокой температурой струя плазмы вырывается сквозь кольцевой влектрод наружу (левый рисунок).

В этом тоннеле получают скорости гава, в 20 раз превосходящие скорость звука. Такая скорость возникает при охлаждении струи плазмы и превращении ее в газ. Когда струя газа, превышающая в 12 раз скорость звук , встречает испытываемое тело, образуется ударная волна. Гав снова нагревается, ■превращается в плазму, и вторая ударная волна образуется уже в конце канала (правый рисунок).

С ростом влектропроводиостн плазмы поток влектронов, стремящийся к аиоду, начинает его разогревать. Вскоре с поверхности анода начинают срываться положительные ионы, устремляющиеся сквозь влектрическое поле к катоду. С появлением в плазме этого горячего газообразного вещества анода возникает дуга, и ее температура лежит близ 3500 — 4000°. Эту температуру можно немного поднять, увеличивая напряжение иа влектродах, то есть скорость движения влектронов или их количество, либо то и другое вместе. В обычных условиях от втого воврастает только количество плазмы, температура которой, однако, ие растет пропорционально росту напряжения.

Теория плазмы позволяет иам перевести кинетическую анергию влектронов в температурный вквивалент: одни влек троновольт соответствует температуре около 10000°. Чтобы сделать электроны очень горячими, нужна лишь небольшая энергия. Нагреть же другие частицы в плазме труднее. Они получают теплоту от столкновения с влектроиами. А так как они горавдо массивнее, то нужна большая частота столкновений, чтобы поднять их иа соответствующий уровень кинетической энергии. Когда равновесие энергий достигнуто, плавма достигнет наивысшей температуры, возможной прн данном источнике электрической энергии, питающей дугу. Следовательно, если мы хотим повысить температуру дуги, то иам нужно увеличить частоту столкновений в плазме. Правильность втого рассуждения доказывается парадоксально иивкой температурой, существующей в неоновой трубке. Здесь количество столкновений яследствие раврежеиности газа невелико, плавма никогда не достигает равновесия, и в теплоту превращается очень малое количество влектрической

14