И. Зверев — приручая плазму
Дата публикации: 07-07-2015Рубрика: Ют №7 1984 год
Чем проще прибор, механизм или установка, тем надежнее и эффективнее их работа. Это, конечно, не аксиома, но все же этого правила придерживаются и электрики, и механики, и конструкторы…
По устройству и принципу работы МГД-генератор, пожалуй, можно назвать рекордсменом простоты. Напомним вкратце, как он работает.
Поток ионизированного газа — плазмы — движется между полюсами магнита. Плазма электропроводна, поэтому в ней, как и в любом проводнике, наводится электродвижущая сила. Вот и все. Остается лишь добавить, что погруженные в поток плазмы электроды собирают это наведенное электричество, и далее оно поступает в нагрузку. МГД-генератор способен работать и в обратном режиме. Если на электроды подать напряжение, то поток плазмы с силой устремится из магнитного поля и создаст реактивную тягу… Простота и универсальность устройства привлекли к нему большой интерес специалистов. А вот эффективность его, как показали эксперименты, оставляла желать лучшего. Дело в том, что, хотя плазма и проводит электрический ток, величина ее проводимости весьма мала.
Представьте себе генератор электрического тока, обмотки которого плохо проводят электричество. Ясно, большую мощность от него не получить. И если проводимость металла можно повысить — эффект сверхпроводимости уже используется на практике,—1 то с плазмой дело обстоит сложнее. Чтобы приблизить ее проводимость к уровню проводимости металлов, нужно ионизировать все ее атомы до единого. А этого можно добиться либо нагревом до фантастически высоких температур, либо мощнейшим ионизирующим излучением. И то и другое сложно и очень дорого. Возможно, поэтому инженеры с таким нетерпением следили за развитием нового, необычного способа повышения электропроводности.
Эксперименты ученых Института ядерных исследований Академии наук СССР показывали, что электропроводность плазмы можно повысить… сжатием, повышением давления. Причем повышение давления всего вдвое приводило к тысячекратному росту проводимости! Просто, необычайно дешево по сравнению с классическими способами, о которых мы сказали. Но у нового способа был недостаток. Он не опирался на теорию; разговор о его применении можно было вести после уточнения физических явлений, дающих этот необычный эффект.
Что же происходит при повышении давления? В общем, ответ был ясен: раз проводимость возрастает, значит, в плазме становится больше электронов и ионов — частиц, отвечающих за ее электропроводность. Но если давление становится вдвое больше, значит, и количество ионов и электронов в объеме тоже удваивается. И проводимость может вырасти всего лишь в два, а не в тысячу раз! Может быть, чем больше давление, тем чаще атомы ударяются друг о друга и это увеличивает степень ионизации? Проверка этой гипотезы дала отрицательный результат и… добавила физикам забот.
Вспомним закон Бойля — Мари отта. Произведение давления на объем, отнесенное к температуре вещества, есть величина постоянная. Как установили, этот закон, справедливый для газов, оказался неприменим к плазме. При увеличении температуры вдвое согласно закону вдвое должно вырасти и давление. А его рост отставал от роста температуры. И этому тоже предстояло найти объяснение.
Лишь через несколько лет работы стало ясно: в основе обеих загадок плазмы лежит одна и та же закономерность.
Одноименно заряженные частицы, как известно, отталкиваются друг от друга. И электрон в плазме отталкивает другие электроны. Скорость свободных электронов в плазме, как сказано, очень велика. И один- единственный электрон, пролетая мимо атома, может оттолкнуть, сдвинуть с места целое электронное облако, заставить его спрятаться за положительно заряженное ядро. И тут начинается главное: электрон и ядро как бы остаются один на один. Положительный заряд у ядра, отрицательный — у электрона; между частицами возникают силы притяжения. И легкий электрон начинает с ускорением приближаться к тяжелому, массивному ядру. Скорость его растет, растет и кинетическая энергия. Но ведь если растет величина кинетической, неминуемо уменьшается потенциальная энергия — их сумма, как известно, постоянна. В этом-то и разгадка роста электропроводности.
Чтобы ионизировать атом, нужно сообщить ему такую порцию энергии, чтобы у электронов хватило сил преодолеть потенциальный барьер, мешающий им вырваться на свободу. А «высота» этого барьера — потенциальная энергия свободного электрона. Другими словами, чтобы электроны атома стали свободны, их энергия должна сравняться с энергией свободных электронов плазмы. При росте давления потенциальная энергия свободных электронов, как сказано, резко падает и разница в энергиях электронов становится так мала, что для преодоления потенциального барьера электронам атомов начинает хватать энергии теплового движения. Здесь же кроется и причина нарушения закона Бойля — Мариотта. Дело в том, что каждый свободный электрон одновременно вступает во взаимодействие сразу с несколькими атомами плазмы, он как бы склеивает их, связывает их движение. А ведь давление и есть проявление движения частиц вещества.
Так были сделаны новые шаги в приручении плазмы. Новый эффективный и дешевый способ управления ее электропроводностью теперь будет использован для реализации МГД-гене- раторов, плазменных двигателей и других устройств.
И. ЗВЕРЕВ, инженер