Большая Советская Энциклопедия (МА)

Большая Советская Энциклопедия

Зеркальные М.л. Другой метод удержания частиц в М. л. в продольном (по полю) направлении был предложен в 1952 сов. физиком Г. И. Будкером и независимо от него американскими учёными Р. Постом и Х. Йорком. Он состоит в использовании магнитных пробок, или магнитных зеркал, — областей, в которых напряжённость магнитного поля сильно (но плавно) возрастает. Такие области могут отражать «падающие» на них вдоль силовых линий поля заряженные частицы. На рисунке 3 изображена траектория частицы в неоднородном магнитном поле, напряжённость которого меняется вдоль его силовых линий. Эффект отражения обусловлен тем, что при продвижении частицы в область более сильного поля при некоторых условиях её поперечная скорость v_^ , возрастает и увеличивается связанная с этой скоростью «поперечная энергия» частицы

mv_^² . Но полная энергия заряженной

частицы Е =

mv_||² +

mv_^² при движении в магнитном поле не изменяется, так как сила Лоренца, будучи перпендикулярна скорости, работы не производит. Поэтому одновременно с увеличением v_^ , уменьшается v_|| . В какой-то точке v_|| может стать равной нулю. В этой точке и происходит отражение частицы от «магнитного зеркала». Подобный механизм «перекачки» энергии, связанной с v_|| , в энергию, связанную с v_^ (и наоборот), действует только в том случае, если магнитное поле за один период винтового движения частицы меняется относительно мало. Процессы, происходящие при сравнительно медленном изменении внешних условий, называются адиабатическими. Соответственно, так называют и М. л. с «магнитными зеркалами». Простейшая зеркальная (адиабатическая) М. л. создаётся двумя одинаковыми коаксиальными катушками, в которых ток протекает в одинаковом направлении (рис. 4 ). «Магнитными зеркалами» в ней являются области наиболее сильного поля внутри катушек.

Адиабатические М. л. удерживают не все частицы: если v_|| достаточно велика по сравнению с v_^ , то частицы вылетают за пределы «магнитных зеркал». Максимальное отношение v_|| /v_^ , при котором отражение ещё происходит, тем больше, чем выше так называемое «зеркальное отношение» наибольшей напряжённости магнитного поля в «зеркалах» к полю в центральной части М. л. (между «зеркалами»). Например, магнитное поле Земли убывает пропорционально кубу удаления от её центра. Соответственно, при приближении заряженной частицы к Земле вдоль силовой линии, уходящей в плоскости экватора достаточно далеко от Земли, магнитное поле возрастает очень сильно. «Зеркальное отношение» в этом случае велико; максимальное отношение v_|| /v_^ также велико (доля вылетающих из М. л. частиц мала).

М. л. для плазмы. Если заполнять М. л. частицами одного вида (например, электронами), то по мере накопления этих частиц увеличивается создаваемое ими электрическое поле. Сила электростатического отталкивания одноимённых зарядов растет, и эффективность ловушки падает. Поэтому заполнить М. л. с достаточно большой плотностью можно только смесью частиц разных зарядов (например, электронов и протонов), взятых в таком соотношении, чтобы их общий электрический заряд был близок к нулю. Такая смесь заряженных частиц называется плазмой .

Когда электрическое поле в плазме настолько мало, что можно пренебречь его влиянием на движение частиц, механизмы их удержания в ловушке не отличаются от рассмотренных применительно к отдельным частицам. Поэтому в М. л. для плазмы должны быть выполнены все сформулированные выше условия. Но, кроме того, к таким М. л. предъявляются дополнительные требования, связанные с необходимостью стабилизации так называемых плазменных неустойчивостей — самопроизвольно возникающих и резко нарастающих отклонений электрического поля и плотности частиц в плазме от их средних значений. Простейшая неустойчивость, получившая название желобковой, обусловлена диамагнетизмом плазмы, вследствие которого плазма выталкивается из областей более сильного магнитного поля. Происходит следующий процесс: сначала поверхность плазмы становится волнистой — образуются длинные желобки, направленные вдоль силовых линий поля (отсюда название неустойчивости); затем эти желобки увеличиваются и плазма распадается на отд. трубочки, движущиеся к боковым границам объёма, занимаемого М. л. Например, в простой зеркальной М. л. (рис. 4 ), в которой поле убывает в направлении, перпендикулярном общей оси катушек, плазма может быть выброшена в этом направлении. Желобковую неустойчивость, как впервые показали в 1961 советские физики (М. С. Иоффе и другие), можно стабилизировать с помощью дополнительных проводников с током, устанавливаемых вдоль М. л. по её периферии. При этом напряжённость магнитного поля достигает минимума на некотором расстоянии от оси М. л., а на удалениях от оси, превышающих это расстояние, Н опять возрастает. В тороидальных М. л. также может возникнуть желобковая неустойчивость; её стабилизируют, создавая конфигурацию со средним (по силовой линии) минимумом магнитного поля. Примером таких М. л. являются установки типа токамак, исследуемые коллективом советских физиков, возглавлявшимся до 1973 Л. А. Арцимовичем, а также во многих зарубежных лабораториях. Название «токамак» представляет собой сокращение полного наименования подобных устройств — «тороидальная камера с аксиальным (направленным по оси) магнитным полем». В токамаках тороидальное магнитное поле создаётся соленоидом типа изображенного на рисунке2 ,

а, по плазме, заключённой внутри тора, пропускается сильный продольный ток, магнитное поле которого, складываясь с тороидальным, образует магнитные поверхности, близкие к описанным для рисунка2 , б. На этих установках стабилизированы не только желобковая, но и многие другие виды неустойчивости и достигнуто сравнительно длительное устойчивое удержание высокотемпературной плазмы (сотые доли сек при температуре в десятки миллионов градусов). В М. л., называются стеллараторами, конфигурации магнитного поля, при которых силовые линии навиваются на тороидальные поверхности (например, скрученные в «восьмёрку», рис. 2 , г), в отличие от токамаков, создаются только внешними обмотками. Различные модификации стеллараторов также интенсивно исследуются в целях использования их для удержания горячей плазмы.

Существуют и иные механизмы стабилизации желобковой неустойчивости. Например, в радиационных поясах Земли она стабилизируется за счёт электрического контакта плазмы с ионосферой : заряженные частицы ионосферы могут компенсировать электрические поля, возникающие в радиационных поясах. Борьба с желобковой и другими видами неустойчивости плазмы составляет одну из основных задач лабораторных исследований М. л.

Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, М., 1966; Роуз Д. — Дж., Кларк М., физика плазмы и управляемые термоядерные реакции, перевод с английского, М., 1963.

Б. Б. Кадомцев.

Рис. 2. Конфигурации тороидальных магнитных ловушек, а — тороидальный соленоид («бублик»), в котором винтовая траектория заряженной частицы обвивает круговые силовые линии магнитного поля; траектория не замкнута — за каждый оборот вокруг тора частица смещается поперёк него на расстояние d от своего исходного положения (тороидальный дрейф); б — «гофрированный» тор; в — тороидальный соленоид с центральным проводником. Складываясь, магнитные поля обмотки соленоида и центрального проводника образуют поле, силовые линии которого винтообразно навиваются на тороидальные поверхности; г — «скрученный» тор.

Рис. 1. В однородном (H=const) магнитном поле заряженная частица движется по окружности, если её скорость направлена поперёк поля (а), и по винтовой линии, если скорость частицы, кроме поперечной v^, имеет и продольную (по полю) составляющую v|| (б). R — радиус окружности (ларморовский радиус).

Рис. 3. Движение заряженной частицы в «зеркальной» магнитной ловушке: при продвижении в область сильного поля радиус траектории частицы уменьшается. «Магнитное зеркало», от которого отражается частица, находится в «горловой» части конфигурации.

Рис. 4. Простейшая адиабатическая магнитная ловушка. Стрелки указывают направления тока в коаксиальных катушках.

Магнитные материалы

Магни'тные материа'лы , вещества, существенно изменяющие значение магнитного поля, в которое они помещены. Ещё в древности был известен природный намагниченный минерал магнетит, из которого в Китае изготовляли стрелки магнитного компаса уже более 2 тысяч лет назад. Магнетит — слабый магнетик; значительно более сильным магнетиком оказалось железо. Практическое применение железа как М. м. началось в 19 веке после открытия Х. К. Эрстедом , М. Фарадеем , Э. Х. Ленцем законов электромагнетизма, изобретения Б. С. Якоби машин постоянного тока, П. Н. Яблочковым — трансформатора и генератора переменного тока, М. О. Доливо-Добровольским — трёхфазного тока. С 1900 в электротехнике начали применять железо-кремнистые стали, несколько позднее — легко намагничивающиеся в слабых полях Fe — Ni сплавы, получившие широкое распространение в технике связи. Значительно ускорило процесс разработки новых М. м. развитие теории ферромагнетизма. В середине 20 века появились оксидные М. м. — ферриты , слабо проводящие электрический ток, их стали использовать в технике высоких и сверхвысоких частот.

Количество применяемых в технике М. м. очень велико. Если рассматривать М. м. с точки зрения лёгкости намагничивания и перемагничивания, то их можно подразделить на магнитно-твёрдые материалы и магнитно-мягкие материалы .

Хотя к магнитно-мягким и магнитно-твёрдым материалам относится подавляющее большинство М. м., в отдельные группы выделяют термомагнитные сплавы , магнитострикционные материалы , магнитодиэлектрики и другие специальные материалы.

Качество М. м. непрерывно повышается путём применения всё более чистых исходных (шихтовых) материалов и совершенствования технологии производства (термические обработки материалов в защитных средах, вакуумной плавки и др.). Улучшение кристаллической и магнитной текстуры М. м. позволит уменьшить потери энергии в них на перемагничивание, что особенно важно для электротехнических сталей. Формирование специального вида кривых намагничивания и петель гистерезиса возможно при воздействии на М. м. магнитных полей, радиоактивного излучения, нагрева и др. При создании М. м. (например, магнитно-мягких материалов с большой индукцией насыщения и с малой шириной магнитного резонанса ) перспективны редкоземельные элементы. Разрабатываются М. м., в которых магнитные свойства сочетаются с целым рядом других свойств (электрическими, оптическими, тепловыми).