Зарядталған бөлшектердің электр және магнит өрісіндегі қозғалысы

 Лекция № 4. Зарядталған бөлшектердің электр және магнит өрісіндегі қозғалысы

Плазма космоста кеңінен  таралған және өзіне тән қасиеттері бар, қазіргі заманғы техникада маңызды мәселелерге арналған, өндірістерде кең қолдануын тапқан  заттың күйі болып табылады.  Қазіргі кезде плазманы зерттеуде қолданылатын жаңа әдістер үлкен техникалық мәселелермен байланысты. Сол мәселелердің негізгілері басқарылатын термоядролық синтез (БТС),  жылулық энергияны электр энергиясына магнитті–гидродинамикалық түрлендіру  болып табылады.  Басқарылатын термоядролық синтез проблемасы – термоядролық плазманы кыздыру және оны ұстап тұру. Бұл  облыста магнит өрісі плазманың  күш  сызықтары бойымен плазманың еркін жайылуына мүмкіндік беріп, бірақ оның перпендикуляр бағытта қозғалуына кедергі жасау  арқылы магнит өрісімен ұстау идеясы ұсынылған. Осы арқылы плазманы камера қабырғаларынан тұйықтау (оңашалау) мүмкіндігі ашылды.  Жоғарғы температурадағы плазманы біртіндеп қыздыру және ұзақ квазистационар күйде ұстауға арналған магнитті тордың бірнеше түрлері бар. Олардың қатарына тұйықталған тороидалы қондырғылар (токамак, стеллораторлар) және магнитті тығыны бар ашық торлар жатады. Әр түрлі қондырғылардағы эксперименттер бұл мәселенің (проблеманың) соншалықты өте күрделі екенін көрсетті. Плазма орнықты емес болып табылады, онда өздігінен тербеліс туады, турбеленттілік дамиды, күшті конвекциялы ағындар пайда болады. Осының бәрі бөлшектердің және энергияның көп азаюына әкеледі.  Келесі  әдісте инерциялық ұстау режимінде термоядролық синтезді іске асырудың негізгі қиындығы  аз уақыт ішінде плазманы термоядролық  температураға дейін қыздыруға болатындай өте үлкен қуатты энергия көзі мен жоғары концентрацияның керектігімен байланысты.

Плазманы газды қоспаның қандай да бір жеке түрі деп қарастыруға болғанымен, бірнеше негізгі физикалық қасиеттеріне байланысты  плазма жай газдан көп ерекшеленеді. Ол айырмашалық көбіне плазманың электр және магнит өрістеріндегі қозғалысында байқалады. Жай нейтралды газға  электр және магнит өрістері  елеулі әсер бермесе, оған керісінше плазма мұндай өрістердің  әсерінен өзінің қасиеттерін күшті өзгерте алады. Электр өрісінің әсерінен (өте аз болса да) плазмада  электр тогы пайда болады. Магнит өрісінде  плазма   өзіне  тән (өзгеше) диамагнитті зат ретінде көрсетеді. Бұл лабораториялық жұмыстың негізгі мазмұны  плазманың  электр және магнит өрістерімен  әртүрлі өзараәсерлесу процесстерінде пайда болған ерекше қасиеттерін  сипаттауға  арналған және плазманың көптеген ғылыми, техникалық қолданулар үшін негіз болып табылады.  Осы процесстердің табиғатын түсіну үшін   жеке электрондар мен иондар электр және магнит өрістерінде өздерін қалай ұстайтынын  қарастыру қажет. Жеке бөлшектердің қозғалысы туралы мәлімет негізінде плазма бүтін ретінде қатысатын макроскопиялық сипаттағы процесстерді түсіндіруге  ауысуға болады.

        Плазмалық процестердің  барлық ерекше  белгілері бөлшектердің қозғалыс заңдарымен  анықталатын  болғандықтан, плазманың магниттік қасиеттерін қарастырмас бұрын, жеке  зарядталған бөлшектердің берілген электр және магнит өрістерінде қозғалысын  қарастырған дұрыс.

Зарядталған бөлшекке әсер ететін күш. Қозғалыс теңдеуі.

Егер кеңістіктің қандай да бір аумағында тұрақты электр өрісі [pic 1]  мен [pic 2] магнит өрісі бар болса, онда зарядталған бөлшекке әсер ететін [pic 3]  күші (1) формуламен анықталады [1]:

          [pic 4]                                       (1)

мұндағы  [pic 5] - бөлшектің заряды,   [pic 6] - оның жылдамдығы.

Берілген өрістегі бөлшектің қозғалысы төмендегі теңдеумен сипатталады:

                          [pic 7]                                       (2)

Тұрақты магнит өрісіндегі бөлшектің   қозғалысы

Зарядталған бөлшектің тұрақты магнит өрісіндегі қозғалысын қарастырайық. Айталық, электр өрісі жоқ және бөлшектің [pic 8] бастапқы жылдамдығы [pic 9] векторге қарағанда [pic 10] бұрыш жасайтын болсын.  Бастапқы жылдамдық векторын екі құраушыға жіктейік: магнит өрісіне паралель [pic 11] және оған перпендикуляр [pic 12] (1-сурет).  [pic 13] шамасы  қозғалыс кезінде өзгеріссіз қалады, себебі магнит өрісінде бөлшекке әсер ететін Лоренц күшінің күш сызықтары бойымен бағытталған құраушысы болмайды. Сондықтан магнит өрісіндегі бөлшектердің қозғалысы екі қарапайым қозғалыстарға жіктеледі: магнит өрісі бойымен бірқалыпты орын ауыстыруы және перпендикуляр жазықтықтағы қозғалысы. Лоренц күші магнит өрісіне перпендикуляр жазықтықта жатады және оның шамасы мына өрнекпен анықталады