19212

Электромагнитные ускорители плазмы. МГД приближение для описания динамики

Лекция

Физика

Лекция 8 VIII. Плазменные ускорители. Электромагнитные ускорители плазмы. МГД приближение для описания динамики. Одножидкостная модель. Магнитное давление. Равновесие плазменной границы. Рельсотрон. 8.1. МГД приближение. Для описания ускорения плазмы магни...

Русский

2013-07-11

269 KB

12 чел.

Лекция 8

VIII. Плазменные ускорители.

Электромагнитные ускорители плазмы. МГД приближение для описания динамики.

Одножидкостная модель. Магнитное давление. Равновесие плазменной границы. Рельсотрон.

§ 8.1. МГД приближение.

Для описания ускорения плазмы магнитным полем воспользуемся МГД приближением. Теорию МГД метода разработал Шведский физик Альфвен (Alfven) в 1942г. для описания динамики космической плазмы. Плазма рассматривается как проводящая жидкость. Основное приближение – это введение .

;

.

Система МГД уравнений состоит из уравнения непрерывности, уравнения движения, уравнения состояния для каждой компоненты плазмы и четырех уравнений Максвелла:

В данной системе температура компоненты плазмы выступает как внешний параметр. Если к этой системе добавить уравнение для расчета температуры, обычно это уравнение теплового баланса, то система становится замкнутой и для ее расчета необходимы только начальные и граничные условия. Уравнение теплового баланса для каждой конкретной задачи имеет свой специальный вид. Например, для плазмы пинча или дугового разряда оно состоит в том, что омические потери идут на излучение плазмы как черного тела: , где - сопротивление плазмы, зависящее от температуры (можно взять Спитцеровскую температурную зависимость проводимости).

§ 8.2. Одножидкостная модель.

В одножидкостной модели считается, что ионы и электроны движутся с одинаковой скоростью как целое. Для достаточно плотной плазмы это оправдано эффектом амбиполярности, более подвижные электроны не могут далеко убежать от ионов из-за возникновения сильных электрических полей. Вводится:

массовая плотность ;
массовая скорость ;
давление, как сумма парциальных давлений  .

Суммируя уравнения непрерывности для электронов и ионов, получим массовое уравнение непрерывности или закон сохранения масс: . Суммируя уравнения движения для электронов и ионов в пренебрежении сил трения , получим уравнение движения для плазмы: . В правой части этого уравнения нет электрической силы, так как . Первое слагаемое правой части уравнения указывает на градиент газокинетического давления как на одну из причин движения плазмы (гидродинамика). Можно показать, что второе слагаемое соответствует магнитному давлению  (магнитная динамика).

Тогда:

Возьмем последние три уравнения Максвелла:

и закон Ома: .

К последнему уравнению системы применим операцию :
;
;

;
.

Если плазма покоится, то .

-  уравнение диффузии.

При    - уравнение «вмороженности» магнитного поля.

;
;
- глубина скин-слоя..

При  .

Покажем это. Возьмем замкнутый контур длины :

Магнитный поток ;

- разность потоков равна потоку через боковую поверхность.

(т. Стокса: - циркуляция внутри замкнутого контура.

Движение плазмы в одножидкостном приближении описывается уравнением:

.

Выясним природу силы Лоренца . Для этого вспомним тождество анализа:

где - тензор магнитного давления, - магнитное давление является одновременно плотностью магнитной энергии размерности , если . В поперечном направлении силовые линии расталкиваются, а в продольном силовые линии натянуты, т.е. стремятся сжаться. Покажем, что последнее слагаемое в силе Лоренца соответствует натяжению магнитных силовых линий, т.е. связано с кривизной силовых линий.

;
;
 

Если обозначить , то:

.

Т.о. сила Лоренца – это сила магнитного давления в поперечном к магнитному полю направлении.

В вакууме, где ,  - это отношение мы уже использовали при выводе скорости дрейфа в неоднородном поле. Оно означает, что топология магнитного поля соответствует уравновешиванию поперечного магнитного давления натяжением силовых линий.

В плазме существует газокинетическое давление частиц плазмы. Отношение называется параметром . Если , то плазма считается высокого давления, если - низкого. С точки зрения эффективности удержания , т.е. затраты на магнитное поле неоправданно велики.

§ 8.3. Равновесие плазменной границы.

Вновь вернемся к уравнению движения плазмы как жидкости:. Если плазма стационарна, то  - это условия равновесия плазмы, из которого следует, что вектора лежат на поверхности , т.е. магнитные поверхности в плазме являются изобарическими. Если магнитное поле однородно, то , т.е. газокинетическое давление уравнивается магнитным: . Или можно записать: .

Если учесть, что вне плазмы , то можно написать соотношение: , т.е. магнитное поле в плазме ослабляется, плазма выталкивает магнитное поле как диэлектрик. Т.о. магнитное поле в плазме зависит от давления плазмы и меняется так, чтобы оставалась постоянной величина .

§ 8.4. Плазменные ускорители.

В одномерном случае плазменный ускоритель имеет вид рельсотрона:

Полная индуктивность системы: ,

- погонная индуктивность.

Подводимая в канал плотность мощности:.

Интегрируя по объему, получим мощность:

Закон сохранения энергии: .

Подводимая к каналу мощность: .

Сопоставив, получаем, что мощность, расходуемая на перемещение плазменного поршня :

- ускоряющая сила.

Тогда систему уравнений, описывающая данную модель, можно представить в виде:

,

где  - высота, длина, ширина поршня (см. рис.), - проводимость плазмы, определяемая, например, по формуле Спитцера, - степень ионизации плазмы, определяемая уравнением Саха. Последнее уравнение системы задает тепловой баланс в предположении, что все омически выделяемое в плазме тепло идет на излучение плазмы как излучение черного тела. Система замкнута. Точность расчета определяется сохранением энергии: .

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

плазма

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рельсотрон

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

R0

L0

C0

Lx

Rp

EMBED Equation.DSMT4  

I


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30972. Бизнес-план “Фаст-фото” 365.5 KB
  Настоящий проект представляет собой создание нового предприятия “Фаст-Уссури”, путем учреждения общества с ограниченной ответственностью с тремя учредителями и участием заемного капитала в форме лизинга на покупку оборудования в сфере предоставления услуг фотопечати
30973. Бизнес-план модернизации технологической линии по производству асбестоцементных листов на ОАО «БелАЦИ» 700 KB
  В данной работе предстоит проанализировать структуру и жизнедеятельность ОАО «БелАЦИ», его положение на рынке, сильные и слабые стороны; разработать план маркетинга, включающего маркетинговую стратегию, каналы распространения и эффективные рыночные коммуникации, позволяющего занимать стабильное положение на рынке
30974. ИММУНОГЕНЕТИКА 16.11 KB
  Начало иммуногенетики животных связывают с работами по исследованию крови коз 1900 г. Еще больший интерес вызвали так называемые иммунные антитела которые образуются в сыворотке крови при попадании в нее эритроцитов других животных причем к тем антигенным факторам эритроцитов которых нет в собственных клетках. По этому признаку кровяные факторы распределяются по системам групп крови которые не изменяются в течение жизни т.
30976. Информационное обеспечение товароведения и экспертизы товаров 294.5 KB
  1 Понятие информации 4 1.2 Классификация видов и форм товарной информации 4 1.3 Требования предъявляемые к товарной информации 6 1.4 Классификация средств товарной информации 7 1.
30977. Копрологические синдромы патологических состоянии органов пищеварения 16.08 KB
  Недостаточность желчеотделения проявляется следующими признаками: цвет кала белый глинистый сероватобелый что особенно хорошо заметно у молодняка молочного возраста при этом реакция на билирубин и стеркобилин отрицательная или слабоположительная; в кале у телят молочников в большом количестве появляются жирные кислоты; мыла и нейтральный жир обнаруживаются в небольшом количестве; количество же аммиака увеличивается примерно в два раза при нормальном содержании органических кислот; консистенция кала чаще мазевидная его запах зловонный...
30978. Исследование мазков крови животных. Разные виды животных 108.45 KB
  Как читать мазок крови Методик много. Обычно зависит от профиля крови преобладание тех или иных видов крови лимфоцитов или нейтрофилов. Из четырёх полей в мазке крови выводим лейкограмму процентное соотношение клеток крови к белой крови при нейтрофильной крови.
30979. Исследование мочевыводящей системы 14.11 KB
  О болезни могут свидетельствовать изменение позы боли расстройства мочеиспускания отёчность симтомокомлекс изменение состава мочи. Расстройства мочеиспускания: Дизурия расстройство мочеиспускания; Поллакиурия частое выделение мочи в малых порциях; Олигакиурия ненормально редкое мочеиспускание; Странгурия болезненное мочеиспускание. Выделение мочи происходит с тенезмами мучительными болями. Энурез недержание мочи моча выделяется без изменения позы.
30980. Исследование нервной системы 700.87 KB
  Исследование поверхностных рефлексов кожи и слизистых. Глубоких рефлекс сухожилий мышц и надкостницы коленный и ахиллов рефлексы. Наибольшее значение ахиллов и коленный рефлекс на стоячем или лежачем животном. Коленный вызывают лёгким ударом ребром ладони или перкуссионным молоточком по прямым связкам если рефлекс вызван быстрое разгибание коленного сустава.