Момент сил, возникающий в плазме под действием магнитного поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ. (4)

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Ранние работы по исследованию магнито-механического эффекта. (7)

1.2. Поздняя серия работ по исследованию магнито-механического эффекта. (19)

1.3. Постановка задач. (28)

ГЛАВА 2 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТО-МЕХАНИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА.

2.1. Измерения момента сил подвешенного легкого тела в разряде при наложении продольного магнитного поля. (30)

2.1.1. Экспериментальная установка для измерения момента сил подвешенного легкого тела в разряде при наложении продольного магнитного поля. . (30)

2.1.2. Методика измерения момента сил подвесной системы. . (33)

2.1.3. Условия эксперимента, результаты измерений и их обсуждения. . (34)

2.1.4. О направлении момента сил. . (42)

2.2. Измерения скорости вращения нейтральных атомов разряда при наложении продольного магнитного поля.(43)

2.2.1. Экспериментальная установка для измерения скорости вращения. .-.-. (43)

2.2.2. Результаты измерений и их обсуждения. . (47)

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТО-МЕХАНИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА.

3.1. Момента импульса при диффузионном режиме. (54)

3.1.1 Вывод формулы для момента импульса в центральной части трубки. .. (55)

3.1.2. Вывод формулы для момента импульса в пристеночном слое при диффузионном режиме.,.-.-. (66)

Магнито-механическим эффектом в газовом разряде в литературе называют как вращение нейтрального газа положительного столба разряда при наложении внешнего продольного магнитного поля, так и возникновении крутящего механического момента при тех условиях, что в общем одно и то же. Исследование магнито-механического эффекта в газовом разряде под действием магнитного поля вызывает большой интерес. Актуальность таких исследований связана с объяснением причин образования и оценки величины самого эффекта.

Количество работ по исследованию этого эффекта, по сравнению с общим числом работ по газовому разряду в магнитном поле, невелико. В литературном источнике показано три группы работ:

Работы московской группы - работы В.Л. Грановского и Э.И. Уразакова [1-5], работы ленинградской группы - работы В.М. Захаровой и Ю.М. Кагана [6-8]. Эти работы выполнены еще в 60-тые годы. Третья группа работ - современные работы нашей лаборатории [9-11].

В.Л. Грановский и Э.И. Уразаков для измерения момента сил пользовались следующим методом: по оси разрядной трубки была натянута тонкая кварцевая нить, на которой прикреплено легкое зеркальце. Образующийся в разряде под влиянием магнитного поля момент сил Р поворачивал зеркальце, а угол поворота считался пропорциональным моменту сил. Магнитное поле создавалось двумя соленоидами, надетыми на трубку выше и ниже зеркальца.

В.М. Захарова и Ю.М. Каган измеряли азимутальную скорость движения газа по допплеровскому сдвигу спектральных линий нейтральных молекул газа. Сдвиг определялся по сдвигу колец, который образовывались в плоскости входной щели спектрографа интерферометром Фабри-Перо толщиной 30 мм.

Между экспериментальными данными этих двух групп наблюдается сильное расхождение. Кроме того, не было найдено объяснение причины образования магнито-механического эффекта. Чтобы найти причину расхождения и найти причину образования магнито-механического момента группа ученных в голове с М.П. Чайкой возобновила исследования магнито-механического эффекта. Была приложена модель для объяснения образования магнито-механического эффекта и была выведена формула для оценки его величины.

ЦЕЛЯМИ настоящей работы являются:

1. усовершенствовать модель механизма образования магнито-механического эффекта.

2. Для количественной оценки магнито-механического эффекта более детально экспериментально его исследовать. Изучить момент сил в зависимости от ряда параметров разряда: рода и давления рабочего газа, магнитного поля и разрядного тока.

3. Сравнить и обсудить теоретические результаты с экспериментальными данными.

4. Попытка найти причины расхождения экспериментальных данных разных авторов.

5. усовершенствовать модель механизма образования магнито-механического эффекта.

6. Для количественной оценки магнито-механического эффекта более детально экспериментально его исследовать. Изучить момент сил в зависимости от ряда параметров разряда: рода и давления рабочего газа, магнитного поля и разрядного тока.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту:

1. Теоретически определено и экспериментально подтверждено установленной ранее направление момента сил в газовом разряде при наложении магнитного поля.

2. Измерены зависимости момента сил, возникающего в разряде под действием магнитного поля, от рода и давления газа, разрядного тока и магнитного поля (рис. 1-4) . Было обнаружено наличие максимума в зависимости момента сил от магнитного поля.

3. Выведена более строгая формула для определения величины магнито-механического эффекта.

4. Продемонстрировано совпадение теоретического расчета с экспериментальными данными.

5. Выявлены противоречия в экспериментальных результатах в основных опубликованных в литературе исследованиях.

НОВИЗНА полученных результатов

Получено более корректные формулы для оценки величины магнито-механического эффекта. Получено новые экспериментальные данные об этом эффекте, расходящиеся с данными других авторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении перечислим основные результаты диссертации:

Проведены эксперименты по измерению моментов сил (механического крутящего момента сил) в положительном столбе газового разряда в неоне и аргоне при наложении на него продольного магнитного поля. Найдена зависимость момента сил от магнитного поля, давления и типа газа, разрядного тока.

Обнаружены и обсуждены расхождения в экспериментальных результатах разных авторов. По сравнению с нашими данными, данные Э.И Уразакова [1,2] отличаются не только по величине, но по характеру зависимости от магнитного поля.

В измеренных нами зависимостях момента сил от магнитного поля четко виден максимум, положение которого в шкале магнитных полей зависит от давления и рода газа, но не зависит от разрядного тока.

Корректно установлено направление момента сил: момент направлен по направлению внешнего магнитного поля.

Проведена повторная попытка обнаружить допплеровский сдвиг. Она показала, что наибольшая скорость не превышает 30м/сек. Эта цифра была определена на основании чувствительности метода измерения сдвига спектральной линии. Конкретные причины расхождения остаются не ясными.

Проведено математическое описание эффекта по той же модели, что и в работах М.П. Чайки [45,46,56], но при этом сделаны более естественные приближения. Выведена формула для оценки момента сил. По виду она значительно отличается от [45]. Но расчеты по обеим формулам близки.

Продемонстрировано согласие экспериментальных измерений с вычисленными. По измеренной зависимости механического крутящего момента сил можно определить длину свободного пробега электрона, так как с нею просто связан максимум на этой зависимости.

Автор выражает огромную благодарность научному руководителю, руководителю лаборатории когерентной оптики, профессору М.П. Чайке за предоставление интересной темы, помощь и руководство в работе. Старшему научному сотруднику Р.И. Семенову за помощь при создании экспериментальных установок. Старшему научному сотруднику А.И. Эйхвальду за предоставление системы электронной регистрации и помощь при проведении экспериментов. Ассистенту В.Ю. Карасеву за обсуждение экспериментальных результатов. Заведующему отделом квантовой электроники A.A. Спартакову, а также всему отделу квантовой электроники за постоянную поддержку и доброжелательность.

1. Грановский В.Л., Уразаков Э.И. Вращательный магнито-механический эффект в плазме низкого давления // ЖЭТФ, 1960. Т.38. В.4. С.1354-1355.

2. Уразаков Э.И. Некоторые данные о вращательном магнито-механическом эффекте в плазме низкого давления // ЖЭТФ,1963, Т.44. В.1. С.41-44.

3. Захарова В.М., Каган Ю.М., Перель В.И. Спектральное наблюдение вращения положительного столба разряда в магнитном поле. //Опт. и Спектр., 1961, Т.11, В.б, С.777-779.

4. Захарова В.М., Каган Ю.М. О вращении положительного столба разряда в магнитном поле // Опт. и Спектр. 1965, Т.19. В.б. С.140-141.

5. Захарова В.М., Каган Ю.М. "О движении ионов и атомов в плазме" в сб. Спектроскопия газоразрядной плазмы. Л.: Наука, 1970. С.291-318.

6. Грановский В.Л. Диффузия и время жизни свободных электронов и ионов в низкотемпературной плазме в однородном магнитном поле (обзор) // Радиотехн. и Электр., 1966. Т.Н.1. B.З. С.386-387.

7. Уразаков Э.И. К теории вращения цилиндрического столба плазмы в продольном магнитном поле // Радиотехн. и Электр.,1964. Т.9. В.4. С.735-740.

8. Уразаков Э.И., Грановский В. Л. Исследование поперечной (холловской) диффузии в плазме инертных газов // ЖЭТФ, 1963. Т. 45. В.5(11) . С.1285-1293.

9. Васильева И.А., Грановский В.Л., Черноволенко А.Ф. Новые данные о влиянии магнитного поля на уход ионов из плазмы в гелии и аргоне // Радиотехн. и Электр., 1960. Т. 5. В. 9.1. C. 1508-1515.

10. Уразаков Э.И. Влияние радиального электрического поля на магнито-механический эффект в неравновесной плазме // Радиотехн. и Электр., 1966. Т.Н. В.З. С.550-553.

11. Богданова И.П, Чайка М.П. Магнитное вращение плазмы низкого давления инертных газов // Опт. и Спектр. 1991. Т.71. В.2. С.248-252.

12. Чайка М.П. Влияние осевого магнитного поля на давление газа в разрядной трубке // Опт. и Спектр., 1991. Т. 71. В.З. С.543-545.

13. Гордеев С.В., Эйхвальд А. И. О природе магнитомеханического эффекта в плазме // Материалы конференции по физике низко-температурной плазмы ФНТП-95. 1995. Петрозаводск. Т.2. С.240-241.

14. Карасев В.Ю., Семенов Р.И., Чайка М.П. Вращение положительного столба плазмы в продольном магнитном поле // IV семи нар по атомной спектр., М., 1993. Сб. тез. докл. С.42.

15. Вагнер С.Д., Крылов H.A., Шляев Б.В. Радиальная диффузия заряженных частиц в ВЧ разряде в магнитном поле // ЖЭТФ, 1969. Т.57. В.11. С.1543-1550.

16. Карасев В.Ю., Семенов Р.И., Чайка М.П. Радиальное электрическое поле в плазме положительного столба разряда низкого давления // Опт. и Спектр., 1995. Т.78. В.З. С.393- 396.

17. Карасев В.Ю., Чайка М.П. Влияние магнитомеханического эффекта на радиальное электрическое поле положительного столба разряда // Опт. и Спектр., 1996. Т.80. В.2. С.197-198.

18. Рейхрудель Э.М., Спивак Г.В. Плазма газового разряда в сильном продольном магнитном поле // ЖЭТФ, 1940. Т.10. В.12. С.1408-1421.

19. Дашдамиров K.M., Зайцев A.A., Эфендиев К. И. Положительный столб разряда постоянного тока в магнитном поле // Изв. АНАз.ССР, сер. ф.-т. и мат., 1971. N1. С.110-113.

20. Васильева И.А. Краевое условие для концентраций носителей зарядов в плазме, помещенной в магнитное поле // Радиотехн. и Электрон., 1960. Т.5. В.12. С.2015-2025.

21. Вагнер С.Д., Каган Ю.М., Крылов H.A. О радиальной диффузии заряженных частиц в положительном столбе разряда в продольном магнитном поле // ЖТФ, 1970. Т.40. В.7. С.1501-1506.

22. Недоспасов A.B., Хаит В.Д. Колебания и неустойчивости низко- температурной плазмы, М.: Наука, 1979. 168 С.

23. Недоспасов A.B., Арцимович Л. А. Радиальное распределение плазмы положительного столба в магнитном поле // ДАН СССР, 1962. Т.145. N.5. С.1022-1024

24. Карасев В.Ю. Влияние продольного магнитного поля на положительный столб газового разряда: Дипломная работа / СПбГУ. С.-Петербург, 1993.

25. Бессоннов JT.A. Теоретические Основы Электротехники. М.:Наука. 1967. 400 С.

26. Васильева И.А., Грановский B.JI., Черноволенко А.Ф. Новые данные о влиянии магнитного поля на уход ионов из плазмы в гелии и аргоне // Радитехн. и Электр., 1960. Т. 5. N.12. С.2015-2025.

27. Карасев В.Ю, Семенов Р.И., Чайка М.П. Трубчатый разряд в магнитном поле // Опт. и Спектр, 1995. Т. 78. В. 4. С.601- 602.

28. Карасев В.Ю., Семенов Р.И., Чайка М.П., Эйхвальд А.И., Перераспределение концентрации нейтрального газа положительного столба разряда в магнитном поле // Материалы конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-95, Петрозаводск, 1995. Т.2. С.228.

29. Карасев В.Ю., Семенов Р.И., Чайка М.П., Эйхвальд А.И. Измерение радиального распределения плотности газа положительного столба разряда в магнитном поле. // Опт. и Спектр.,1997. Т.83. В.З. С.369-372.

30. Грановский В.Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М.: Наука, 1971. 544 С.

31. Штеенбек М., Ромпе Р. Газы в состоянии плазмы // УФН, 1941. Т.25. В.1,2,3.; Steenbek Wiss. Veroff. Siemens-Verker, 1939. В.18. S.318.

32. Клярфельд Б.Н., Полетаев И.А. Градиент давления в положительном столбе // ДАН СССР, 1939. Т.23. N.5. С.459-463 .

33. Клярфельд Б.Н., Полетаев И.А. Разрежение газа в местах сужения положительного столба // ДАН СССР, 1939. Т.23. N.5. С.464-465.

34. Сена JI.A., Барская Р.Я.// Сборник статей посвященный 7 0-летию со дня рождения акад. А.Ф.Иоффе, М.: 1950. С.561

35. Шухтин A.M. Определение плотности паров в положительном столбе электрического разряда методом крюков Рождественского // ДАН СССР, 1952. Т.82. N.1. С.41-43.

36. Шухтин A.M. Определение плотности паров за анодом и за катодом разрядной трубки // ДАН СССР, 1953. Т.92, N2. С.289-291.

37. Егоров B.C., Скребов В.Н., Шухтин A.M. О концентрации нормальных атомов при импульсном разряде в парах металлов //Опт. и Спектр., 1966. Т.20. В.З. С.382-386.

38. Козлов Ю.Г., Шухтин A.M. Экспериментальное исследование явления контракции // Опт. и Спектр., 197 0. Т.29. В.2. С.232-3235.

39. Шухтин A.M. Интерферометрические методы и некоторые применения их для исследования плазмы : Дис. . докт. физ.-мат. наук / ЛГУ. Л., 1961.

40. Голубовский Ю.Б., Тележко В.М. Измерение концентрации электронов слабоионизованной плазмы тлеющего разряда в азоте при средних давлениях // Опт. и Спектр., 1983. Т.54. В.1. С.60-67.

41. Бабичев А.П., Бабушкина H.A., Братковский A.M. и др. Физические величины: Справочник // М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 С.

42. Скребов В.Н., Эйхвальд А.И. Исследование неоднородной плазмы импульсного разряда в аргоне с помощью лазерных методов диагностики // Опт. и Спектр., 197 6. Т.41. В.1. С.15- 21.

43. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда, М.: Госатомиздат, 1961. 123 С.

44. Велихов Е.П., Ковалев A.C., Рахимов А. Т. Физические явления в газоразрядной плазме. М.: Наука, 1987. 160 С.

45. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. С.536

46. Чайка М.П. Роль теплового движения электронов в образовании магнито-механического эффекта //Опт. и Спектр., 1998. Т.84.В.6

47. Чайка М.П. Некоторые ограничения гидродинамического уравнения в применении к низкотемпературной плазме / / Опт. и Спектр., 1997. Т.82. В.5. С.723-731.

48. Курнаев В.А., Машкова Е.С., Молчанов В.А. Отражение легких ионов от поверхности твердого тела. М. : Энергоиздат, 1985. 192 С.

49. Карасев В.Ю, Чайка М.П. О механизме вращения положительного столба разряда в продольном магнитном поле // Материалы конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-95, 1995. Петрозаводск. Т.2. С.241-242.

50. Рысь А.Г. Выстраивание электронным ударом в плазме положительного столба газового разряда : Диссрт. канд. физ.-мат. наук / ЛГУ. Л., 1986.

51. Чайка М.П., Цзинь Щего. Оценка величины магнито-механического эффекта. // опт. и спектр, (в печати).

52. Карасев В.Ю., Цзинь Щего, Чайка М.П., Эйхвальд А.И. Измерение величины магнито-механического эффекта в газовом разряде. // опт. и спектр, (в печати).

53. Карасев В.Ю., Семенов Р.И., Цзинь Щего, Чайка М.П. Радиальное электрическое поле в разряде низкого давления. //Конференция по физике низкотемпературной плазме ФНТП-98, 1998, с 287-288.

54. Прудников А.П., Брычков Ю. А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Москва, «наука». 1981.

55. Карасев В.Ю. Магнито-механический эффект в газовом разряде (вращение нейтрального газа в разряде при наложениипродольного магнитного поля): Диссрт. канд. физ.-мат. наук / СПбГУ. С-Петербург., 1998.

56. Вагнер С.Д. Нисимов С.У. Пядин В.П., Слышов А.Г., Червяков A.B. Исследование функции распределения электронов в тлеющим разряде в неоне в присутствии магнитного поля. //Физика плазмы.1998, 1998, том 24, № 7, cl-4.

57. Chaika М.Р. The Torque Arising in Slightly Ionized Plasma in an External Magnetic Field. //Physica Script. Vol.58, 632-633,1998.

58. Физические величины. Справочник. Москва, Энергоатомиздат. 1991.

59. Митчнер М., Кругер Ч. Частично ионизированные газы. Москва «Мир», 1976.

60. Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. Москва «Атомиздат», 1969.

61. Демидов В. И., Колоколов Н. В., Кудрявцев A.A. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. Москва «Энергоатомоиздат», 1996.

62. Ландсберг Г. С. Оптика. Москва «Наука». 1976.

63. Голант В. Е., Жилинский А. П., Сахаров С. А. Основы физики плазмы. МоскЬа «Атомиздат», 1977.

64. Черепанов А.Н., Фомин В.М. Низкотемпературная плазма. Том 12, Новосибирск «Наука», 1995.

65. Черепанов А.Н., Фомин В.М. Низкотемпературная плазма. Том 13, Новосибирск «Наука», 1995.