WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ФИЗИКА ФИЗИКА СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЛАБОРАТОРНОГО ДИНАМО-ЭКСПЕРИМЕНТА Д. Д. СОКОЛОВ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ВВЕДЕНИЕ CURRENT STATE AND PROSPECTS Большинство из нас впервые знакомится с явлением OF LABORATORY DYNAMO EXPERIMENT магнетизма по тому, как постоянный магнит притягивает железо, и по тому, как магнитная стрелка показыD. D. SOKOLOFF вает направление на север, реагируя на магнитное поле Земли. Позднее мы узнаем, что эти примеры представDynamo theory studies self-excitation of mag- ляют два больших класса магнитных явлений. Родственниками постоянного магнита являются многочисnetic field in the flow of electrically conducting ленные магнитные материалы, физическая природа fluid or plasma, which results in the formation которых связана с упорядочением магнитных моменof magnetic fields of the Earth, the Sun and тов атомов, из которых состоят эти материалы. Поэтоgalaxies. We discuss the proposed laboratory му ферромагнетизм постоянного магнита исчезает при dynamo experiments being prepared in several его нагревании до определенной и не такой большой температуры, называемой точкой Кюри, при которой countries, including Russia.

тепловое движение разрушает упорядочение микрочастиц, ведущее к ферромагнетизму.

Теория динамо изучает самовозбуждение магнитных полей в движущейся проводя- Ферромагнитные материалы содержатся и в земной коре. В частности, они записывают характеристищей жидкости или плазме, приводящее к ки магнитного поля Земли в момент образования порообразованию и поддержанию магнитных ды, что позволяет геологам восстановить летопись полей Земли, Солнца, галактик. Обсуждаизменения геомагнитного поля за сотни миллионов ются проекты лабораторных эксперимен- лет. Однако природа геомагнитного поля существенно иная. Действительно, геомагнитное поле имеет планетов по эффекту динамо, подготавливаетарный характер, а температура пород быстро нарастамых в различных странах, в том числе и в ет в глубь земных недр, так что не приходится сомнеРоссии.

ваться, что уже на сравнительно небольших глубинах она превосходит точку Кюри.

Магнитное поле Земли не является исключительным явлением во Вселенной. Магнитными полями обладают многие планеты Солнечной системы, в том числе газообразные планеты-гиганты. Магнитным полем обладает гигантский плазменный шар – Солнце, а также многие звезды. Солнечное магнитное поле меняется квазипериодически, изменяя свое направление примерно каждые 11 лет (так называемый 11-летний солнечный цикл). Гигантскими магнитами являются www.issep.rssi.ru галактики, и в частности наша Галактика. Думать о том, что магнетизм таких крайне разреженных тел, какими СОКОЛОВ Д.Д. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЛАБОРАТОРНОГО ДИНАМО-ЭКСПЕРИМЕНТА Соколов Д.Д., © ФИЗИКА являются галактики, связан с явлением ферромагнетизма, уж никак не приходится.

а ТЕОРИЯ ГИДРОМАГНИТНОГО ДИНАМО Начиная с классической работы Дж. Лармора, опубликованной в 1919 году, магнетизм небесных тел связывают с явлением электромагнитной индукции М. Фарадея. Напомним, что в рамке с током, которая движется б в затравочном магнитном поле, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея возникает электрический ток, который создает добавочное магнитное поле.

По правилу Ленца этот ток направлен так, чтобы создаваемое магнитное поле было направлено противоположно исходному. Однако если создать достаточно сложную конструкцию из проводов и других твердых Рис. 1. Механизмы быстрого (a) и медленного (б) динамо. В обоих случаях магнитная петля на первом частей машины, то можно добиться самовозбуждения этапе растягивается и складывается под действием тока и соответственно магнитного поля. Это самовозтечения жидкости. Различие связано со вторым этабуждающееся магнитное поле черпает энергию из двипом усиления. В механизме быстрого динамо магнитная петля складывается потоком в восьмерку без жения частей машины – генератора тока или, как его разрывов, а в механизме медленного динамо разназывали раньше, динамо-машины. По мысли Ларморывается из-за взаимного уничтожения двух сблира, в проводящей электронейтральной жидкости (плаззившихся участков с противоположной ориентацией ме), из которой состоит Солнце, возникает нечто напоминающее генератор тока, в связи с чем говорят о это поле. Именно -эффект и позволяет обойти правитеории гидромагнитного динамо. Идея Лармора была ло Ленца в астрофизических динамо.

перенесена из физики Солнца в геофизику и астрофиДругой механизм динамо связан с действием омизику (см., например, [1, 2]).

ческих потерь. Сначала магнитная петля растягивается Теория динамо – достаточно сложная с математипотоком, потом две ее части сближаются друг с другом, ческой точки зрения теория. Дело в том, что непросто и петля рвется. Наконец, две половинки петли наклаобойти правило Ленца и добиться того, чтобы магнитдываются друг на друга (рис. 1, б). Поскольку разрыв ные поля, генерируемые потоками проводящей жидкопетли – медленный процесс, то этот механизм получил сти, не гасили, а усиливали затравочные магнитные поназвание медленного динамо, а механизм, основанный ля. Поэтому первые более или менее реалистические на восьмерке Зельдовича, называют быстрым динамо.

примеры динамо были представлены теоретиками лишь Медленное динамо недостаточно эффективно для в середине XX века. Проблему самовозбуждения магобъяснения быстрых изменений магнитного поля в коснитного поля можно пояснить и на языке эволюции мических средах, но более просто в реализации, так что магнитных линий. Если потери, связанные с сопротивобсуждаемые ниже лабораторные проекты основаны, лением среды, невелики, то магнитное поле течет вмекак правило, на механизме медленного динамо.



сте с проводящей жидкостью и магнитные линии неВ настоящее время теория динамо – хорошо разраразрывны. Тем не менее академик Я.Б. Зельдович ботанная область астрофизики и геофизики [3]. В ее указал изящный механизм удвоения магнитных линий, развитие внесли большой вклад английские физики и не связанный с их разрывом. Сначала магнитная петля физики нашей страны, в частности научная школа, сорастягивается потоком, потом складывается в восьмерзданная Зельдовичем и известная на Западе под назваку, а две половинки восьмерки накладываются друг на нием Московской динамо-группы (см., например, [4]).

друга (рис. 1, а). Конкретную реализацию восьмерки Теория динамо предлагает много конкретных моделей Зельдовича предложили в 1966 году немецкие физики генерации магнитных полей в небесных телах.

М. Штеенбек, Ф. Краузе и К.-Х. Рэдлер, которые показали, что под действием силы Кориолиса турбулентные ПРОБЛЕМА ЛАБОРАТОРНОГО течения во вращающихся телах приобретают специфиЭКСПЕРИМЕНТА ческое свойство, так называемый -эффект. В результате крупномасштабное магнитное поле приобретает Однако есть недостаток, который существенно омрачакомпоненту, которая направлена по (а не перпендику- ет развитие теории динамо – оно почти не изучено в лалярно, как это обычно бывает) току, который вызывает боратории, где только на рубеже третьего тысячелетия СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №4, ФИЗИКА научились воспроизводить простейшие режимы гене- ве большинства разработок экспериментов по лаборарации магнитного поля. Дело в том, что динамо – по- торному воспроизведению динамо.

роговое явление. Оно работает только тогда, когда роль Простые оценки, основанные на таблицах провоэлектромагнитной индукции больше, чем роль омиче- димости жидких металлов и данных о технических хаских потерь, которые присутствуют в каждом реальном рактеристиках насосов, приводят к выводу о том, что проводнике. Соотношение этих двух факторов можно достижение критических значений магнитного числа измерить с помощью безразмерного магнитного числа Рейнольдса в лабораторном эксперименте требует масРейнольдса Rm = L/, где L – характерный размер штабных установок величиной с трехэтажный дом, m системы, – характерная скорость жидкости (их про- мощных насосов, серьезных энергозатрат. Подчеркизведение определяет величину индуктивного эффек- нем, что очень высокие значения Rm в астрофизике та), а – коэффициент магнитной диффузии, обратно достигаются за счет огромных, астрономических разm пропорциональный проводимости среды.

меров тел.

В космических средах Rm, как правило, очень веЛАТВИЙСКИЙ, НЕМЕЦКИЙ лико, например в конвективных потоках плазмы на И ФРАНЦУЗСКИЙ ПРОЕКТЫ Солнце оно достигает огромной величины 108. При обдумывании возможного лабораторного эксперимента В 1968 году началась предварительная подготовка к выбор возможных жидких или газообразных проводнипроведению лабораторного динамо-эксперимента. Тогков не так уж велик. Электролиты отпадают практичесда группа немецких и советских физиков, в которую ки сразу из-за своей низкой проводимости, плазменные входили авторы -эффекта М. Штеенбек и Ф. Краузе, эксперименты представляются столь специфичными и академик АН Латвии И.М. Кирко, О. Лиелаусис и тесно связанными с проблемами, близкими к проблеА. Гайлитис, бывшие в разное время директорами Инмам управляемого термоядерного синтеза, что, несмотститута физики АН Латвии, на базе этого института в ря на их возможную привлекательность, их стоит обсужокрестностях Риги продемонстрировали существовадать отдельно в контексте, скажем, физики токомаков.

ние -эффекта в специально подобранной конструкОстаются течения жидких металлов, то есть ртути, нации из труб и движущегося жидкого натрия. Однако трия и некоторых других. Жидкому натрию в этих достигнутых магнитных чисел Рейнольдса далеко не оценках традиционно отводится ведущая роль в силу хватало до самовозбуждения. Началась долгая и подостаточно высокой проводимости, сравнительно растепенная подготовка к полноценному эксперименту, зумной цены и не очень высокой температуры плавлевключавшая теоретическое изучение динамо Пономания, которая выше комнатной, но еще не создает принренко и разнообразные измерительные работы на Беципиальных конструктивных проблем. Отметим также, лоярской атомной станции. Дело в том, что в системах что жидкий натрий по гидродинамическим характериохлаждения этой станции, как и в других реакторахстикам (плотность и вязкость) удивительно похож на размножителях, по технологическим причинам испольобыкновенную воду.

зуется не вода (она поглощает быстрые нейтроны), а Критическое значение Rm, при котором начинает- жидкий натрий.

ся генерация магнитного поля механизмом динамо, Здесь мы подходим еще к одному аспекту нашей определяется конкретной геометрией течения. Очень темы. Лабораторный динамо-эксперимент имеет не простые потоки (например, плоскопараллельное тече- только академическую ценность. Несмотря на то что ние в трубе) вовсе не могут генерировать магнитное по- достичь критического значения магнитного числа Рейле, поскольку они недостаточно сложны для того, чтобы нольдса трудно, разнообразные технологические устаобойти правило Ленца. Простейший поток, в котором новки, содержащие потоки жидкого металла, медленно, возможна генерация магнитного поля, – винтовое те- но верно подбираются к этому рубежу. Пока возможная чение жидкости в цилиндрической трубе, при котором роль динамо в этих установках будущего носит харакотличны от нуля компонента скорости вдоль трубы и тер нежелательного явления. Стоит сказать, что натрий z компонента угловой скорости вращения вокруг оси в бытовом смысле представляет собой достаточно нетрубы. По счастливой случайности при достаточно ра- приятный материал. Он бурно реагирует с водой и зумных предположениях о зависимости и от рас- вполне может вызвать взрыв. Не хочется даже фантазиz стояния от оси трубы это течение дает самое маленькое ровать на тему о том, что будет, если в результате неизвестное критическое значение магнитного числа штатной работы, вызванной плохо изученным явлениРейнольдса – около 17. Этот вид динамо, который на- ем динамо, из устройства выльется несколько тонн зывается винтовым динамо или динамо Пономаренко натрия, а рядом будет порядочный запас радиоактивпо имени отечественного физика, который впервые ных материалов. Отметим, что наиболее мощная сорассмотрел его теоретически в 1973 году, лежит в осно- временная установка подобного рода – французский СОКОЛОВ Д.Д. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЛАБОРАТОРНОГО ДИНАМО-ЭКСПЕРИМЕНТА ФИЗИКА “Суперфеникс” находится в густонаселенной местнос- сти, продолжают активную работу в теории динамо. Со ти вблизи города Лиона. временем стало ясно, что нельзя ограничиться только Жизнь шла, рижский динамо-эксперимент посте- этим, нужно, хоть это и очень трудно, восстанавливать экспериментальные исследования. Впервые эта цель пенно развивался. Один из его активных участников, была сформулирована директором Института механиИ.М. Кирко, переехал из Риги в Пермь и основал там школу физиков, занимающихся гидродинамикой жид- ки сплошных сред Уральского отделения Российской ких металлов, а в рижском эксперименте стала участво- академии наук в Перми членом-корреспондентом РАН В.П. Матвеенко. Сейчас лабораторию, основанную вать группа ленинградских физиков под руководством И.Р. Кириллова. Наконец, в 1987 году рижский экспе- И.М. Кирко, возглавляет П.Г. Фрик, который и стал римент был проведен. Было зарегистрировано увели- лидером проекта. После обсуждения идеи восстановления экспериментальных работ пермскими (в частночение времени жизни затравочного магнитного поля сти, С.Ю. Хрипченко, С.А. Денисов и В.И. Носков) и при увеличении магнитного числа Рейнольдса, то есть московскими специалистами (в московскую группу при увеличении скорости винтового потока. Однако самовозбуждения динамо достигнуть не удалось – виб- вхожу и я) возникла идея поставить лабораторный эксрации, связанные с работой насосов, угрожали разру- перимент по теории динамо в Перми [5]. В пользу выбора Перми в качестве места проведения эксперимента шить здание и от дальнейшего увеличения скорости потока пришлось отказаться. Более десяти лет напря- говорит то, что Пермь и Пермская область – крупный женной работы – и в конце 1999 года группа латвий- промышленный и научный регион, в котором развито производство натрия. Жители области предприняли ских и немецких физиков наблюдала на этой установке огромные усилия для того, чтобы достойно войти в ноэкспоненциальный рост магнитного поля.

вую жизнь и сохранить активную работу заводов и наВ те же годы началась подготовка к проведению диучных институтов. Я много раз бывал в Перми в связи с намо-эксперимента в других странах. В Германии, в гоработой по этому проекту и видел, как люди упорно и роде Карлсруэ, под руководством Ф. Буссе и У. Мюллера без ненужного героизма преодолевали трудности, котои с активным участием К.-Х. Рэдлера и других немецких рые несопоставимо больше трудностей, стоящих перед специалистов в области теории динамо подготавливажителями Москвы. Немалую роль играет и то, что в ется динамо-эксперимент, возрождающий идеи первоПерми много хороших студентов и аспирантов, которые го рижского эксперимента: поток жидкого натрия прохотят заниматься наукой и самым активным образом ракачивается по сложной конструкции труб, которые ботают над проектом. По этому проекту уже работают моделируют действие -эффекта. На этой циклопичедва Соросовских аспиранта, Д. Галягин и С. Ложкин.

ской установке только что тоже получена генерация магнитного поля. Французский эксперимент “Ампер”, Лабораторные динамо-эксперименты требуют в числе организаторов которого весь цвет француз- больших материальных затрат. Поэтому мы хотели ской магнитной гидродинамики (А. Алемани, Ж. Леора, предложить не просто проект лабораторного динамо, а Ф. Марти, Р. Моро и многие другие), основан на ис- дешевый проект.

пользовании течения, возникающего между двумя проИдея такого дешевого проекта состоит в следуютивоположно вращающимися дисками. Стоит подчеркщем. Мы предлагаем отказаться от постоянного прокануть, что различные эксперименты ориентированы на чивания жидкости по некоторой системе труб, а создать различные режимы генерации и взаимно дополняют высокоскоростное течение жидкого натрия на короткое друг друга.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.