Магазины электрических величин
Вид материала | Документы |
- Рабочей программы дисциплины Электроэнергетические системы и сети по направлению подготовки, 21.71kb.
- Отчет по лабораторной работе должен содержать: наименование работы и номер, схемы, 365.83kb.
- Экзаменационные вопросы по курсу «Электротехника и электроника», 23.91kb.
- Бизнес-план магазина товаров для детей Содержание, 138.19kb.
- 1. Основные понятия и обозначения электрических величин и элементов электрических цепей., 277.03kb.
- Цифровой вольтметр щ-304, 137.06kb.
- Телемеханики, 26.01kb.
- Отдел метрологического обеспечения измерений электрических величин, 42.58kb.
- Курсовая работа по курсу «основы физических измерений», 226.86kb.
- Теория электрических цепей (часть, 63kb.
Законы классич. электродинамики допускают существование ч-ц с одним магн. полюсом — м а г н и т н ы х м о н о п о л е й и дают для них определ. ур-ния поля и ур-ния движения. Эти :законы не содержат никаких запретов, в силу к-рых М. м. не могли бы существовать.
В квант. механике ситуация несколько иная. Непротиворечивые ур-ния движения для заряж. ч-цы, движущейся в поле М. м., и для М. м.,
движущегося в поле ч-цы, можно построить только при условии, что электрич. заряд е ч-цы и магн. заряд М. м. связаны соотношением:

где n — положит. или отрицат. целое число. Это условие возникает вследствие того, что в квант. механике ч-цы представляются волнами и появляются интерференц. эффекты в движении ч-ц одного типа под влиянием ч-ц другого типа. Если М.м. с магн. зарядом существует, то ф-ла (*) требует, чтобы все заряж. ч-цы в его окрестности имели заряд е, равный целому кратному величины ћc/2. Т. о., электрич. заряды должны быть квантовании. Но именно кратность всех наблюдаемых зарядов заряду эл-на явл. одним из фундам. законов природы. Если бы существовал М. м., этот закон имел бы естеств. объяснение. Никакого другого объяснения квантования электрич. заряда не известно. Принимая, что е — заряд эл-на, величина к-рого определяется соотношением е2/ћc=1/137, можно из ф-лы (*) получить наименьший магн. заряд 0 М. м., определяемый равенством: и,20/ћc=137/4. Т. о., 0 значительно больше е. Отсюда следует, что трек быстро движущегося М. м., напр. в Вильсона камере или в пузырьковой камере, должен очень сильно выделяться на фоне треков др. ч-ц. Были предприняты тщат. поиски таких треков, но до сих пор М. м. не были обнаружены.
М. м.— стабильная ч-ца и не может исчезнуть до тех пор, пока не встретится с др. монополем, имеющим равный по величине и противоположный по знаку магн. заряд. Если М. м. генерируются высокоэнергичными космическими лучами, непрерывно падающими на Землю, то они должны встречаться повсюду на земной поверхности. Их искали, но также не нашли. Остаётся открытым вопрос, связано ли это с тем, что М. м. очень редко рождаются, или же они вовсе не существуют. П. А. М. Дирак.
О т р е д а к ц и и. Гипотеза о возможности существования М. м. — ч-цы, обладающей положит. или отрицат. магн. зарядом, была высказана англ. физиком П. А. М. Дираком (1931), поэтому М. м. наз. также монополем Дирака.
• D i r а с Р. А. М., Quantised singularities in the electromagnetic field, «Proceedings of the Royal Society. Ser. A», 1931, v. 133, .№ 821; Д э в о н с С., Поиски магнитного монополя, «УФН», 1965, т. 85, в. 4, с. 755—60 (Дополнение Б. М. Болотовского, там же, с. 761 — 762); Швингер Ю., Магнитная модель материи, там же, 1971, т. 103, в. 2, с. 355— 365; Монополь Дирака. Сб. статей, пер. с англ., под ред. Б. М. Болотовского и Ю. Д. Усачева, М., 1970.
МАГНИТНЫЙ ПОЛЮС, участок поверхности намагниченного образца (магнита), на к-ром норм. составляющая намагниченности Jn отлична от нуля. Если магнитный поток в образце и окружающем пр-ве изобразить графически при помощи линий индукции (силовых линий) магнитного поля, то М. п. будет соответствовать месту пересечения поверхности образца этими линиями (рис.). Обычно участок поверхности, из к-рого выходят силовые линии, наз. северным (N) или положительным М. п.,

Магн. поле и полюсы (N и S) намагниченного стального стержня. Линиями со стрелками обозначены линии магн. индукции (линии замыкаются в окружающем стержень пр-ве).
а участок, в к-рый эти линии входят, южным (S) или отрицательным. Одноимённые М. п. отталкиваются, разноимённые притягиваются. Если следовать аналогии с вз-ствием электрич. зарядов, то М. п. можно приписать отличную от нуля поверхностную плотность магнитных зарядов m = Jn, хотя в действительности магн. зарядов не существует (см. Магнитный монополь). Отсутствие в природе магн. зарядов приводит к тому, что линии магн. индукции не могут прерываться в образце, и у намагниченного образца (тела) наряду с М. п. одной полярности всегда должен существовать эквивалентный М. п. другой полярности.
МАГНИТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛОМЕТР, устройство для измерения разности значений потенциала (Uмагн) магн. поля между двумя его точками и напряженности магн. поля на поверхности намагнич. образца. В кач-ве М. п. применяют феррозонды, преобразователи, действующие на основе Холла эффекта; магниторезисторные преобразователи (см. Магнетосопротивленив) и др. устройства. Широкое применение в кач-ве М. п. нашли индукц. катушки пост. сечения по длине с бифилярной обмоткой. Концы обмотки присоединяют к измерителю, в кач-ве к-рого при измерениях в пост. магн. полях обычно применяют баллистический гальванометр или микровеберметр, в перем. магн. полях — вольтметр или электронно-лучевой осциллограф. Если такой М. п. находится в постоянном неоднородном магн. поле, причём его концы располагаются в точках с разными магн. потенциалами, то магн. поток, пронизывающий М. п. (потокосцепление потенциометра), пропорц. разности Uмагн между его концами. При удалении М. п. из поля, смыкании его концов или выключении поля происходит отброс стрелки баллистич. гальванометра, пропорциональный изменению потокосцепления Ф.
377
Измеряемое значение Ф=kUмагн, где k — постоянная М. п. По величине Uмагн рассчитывают ср. напряжённость магн. поля (Hcp) между концами М. п.: Hср=Uмагн/l, где l — расстояние между фиксиров. точками поля.
М. п. на основе индукц. катушек можно измерять разности магн. потенциалов, начиная с 10-3—10-2 А. Ещё большей чувствительностью обладают феррозондовые М. п., позволяющие измерять
Uмагн~10-5—10-6 А.
• Чечерников В. И., Магнитные измерения, 2 изд., М., 1969.
МАГНИТНЫЙ ПОТОК (поток магнитной индукции), поток Ф вектора магн. индукции В через к.-л. поверхность. М. п. dФ через малую площадку dS, в пределах к-рой вектор В можно считать неизменным, выражается произведением величины площадки и проекции Bn вектора на нормаль к этой площадке, т. е. dФ=BndS. М. п. Ф через конечную поверхность S определяется интегралом: Ф=∫SBndS.
Для замкнутой поверхности этот интеграл равен нулю, что отражает соленоидальный хар-р магнитного поля, т. е. отсутствие в природе магнитных зарядов — источников магн. поля (магн. поля создаются электрич. токами). Единица М. п. в Международной системе единиц (СИ) — вебер, в СГС системе единиц — максвелл; 1 Вб=108 Мкс.
МАГНИТНЫЙ ПРОБОЙ, см. Пробой магнитный.
МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС, избират. поглощение в-вом эл.-магн. волн определ. частоты , обусловленное изменением ориентации магн. моментов ч-ц в-ва (эл-нов, ат. ядер). Энергетич. уровни ч-цы, обладающей магн. моментом , во внеш. магн. поле Н расщепляются на магн. подуровни, каждому из к-рых соответствует определ. ориентация магн. момента относительно поля Н (см. Зеемана эффект). Эл.-магн. поле резонансной частоты вызывает квант. переход между магн. подуровнями. Условие резонанса: ξ=ћ, где ξ — разность энергий между магн. подуровнями. Если поглощение энергии осуществляется ядрами, то М. р. наз. ядерным магнитным резонансом (ЯМР). М. р., обусловленный магн. моментами неспаренных эл-нов в парамагнетиках, наз. электронным парамагнитным резонансом (ЭПР). В магнитоупорядоченных в-вах электронный М. р. наз.
ф e p p o м а г н и т н ы м и а н т и ф е р р о м а г н и т н ы м. В обычно применяемых магн. полях ~103—104 Э частоты ЯМР попадают в диапазон коротких радиоволн (106— 107 Гц), а ЭПР — в диапазон СВЧ (109—1010 Гц). Спектры М. р. чувствительны к различным внутр. полям,
действующим в в-ве, поэтому М. р. применяется для исследования структуры твёрдых тел и жидкостей, атомной и молекулярной динамики и т. п.
В. А. Ацаркин.
МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР, прибор для измерения импульсов заряж. ч-ц по кривизне их траекторий в магн. поле. Если при этом измеряется скорость ч-цы, то можно определить её массу, т. е. идентифицировать ч-цу (см. Лоренца сила). М. с. используются для исследований бета-распада (см. Бета-спектрометр), яд. реакций и др. явлений, наблюдаемых при малых энергиях ч-ц. Физ. процессы в этом случае характеризуются малым числом рождающихся ч-ц в каждом акте и сравнительно высокой вероятностью. Поэтому соответствующие М. с., как правило, одноканальные приборы с небольшой апертурой, содержащие на выходе детектор, регистрирующий ч-цу с фиксиров. траекторией. Энергетич. спектр ч-ц измеряется последовательным изменением магн. поля.

Рис. 1. Схема двухплечевого магн. спектрометра: 1 — мишень, в к-рой происходит исследуемый процесс; 2 — магниты; 3 — магн. линзы; 4 — трековые детекторы; 5 — сцинтилляц. счётчики; 6 — газовые черенковские счётчики; 7 — ливневые спектрометры для идентификации эл-нов; 8 — сцинтилляц. счётчики.
Развитие физики ч-ц высоких энергий привело к созданию сложных М. с. для изучения разнообразных процессов, сопровождающихся рождением большого числа ч-ц в каждом акте (см. Множественные процессы). Эти процессы обычно характеризуются малой вероятностью, что требует приборов с большой светосилой. Часто необходимо одновременно измерять траектории и импульсы неск. заряж. ч-ц разл. типов, идентифицировать их и определять эфф. массу системы ч-ц или т. н. недостающую массу (см. ниже); выделять редкие процессы
(напр., двухчастичные распады короткоживущих ч-ц) на фоне большого кол-ва др. процессов. М. с. для таких экспериментов — сложные установки, содержащие трековые детекторы с автоматизиров. съёмом информации [искровые камеры (проволочные), пропорциональные камеры, дрейфовые камеры] с десятками, сотнями тысяч каналов регистрации ч-ц, сотни сцинтилляционных счётчиков, многочисл. детекторы для идентификации вторичных ч-ц {черенковские счётчики (газовые), электронные и мюонные идентификаторы], работающие в линию с ЭВМ. В более простых М. с. в магн. поле расположены оптические искровые и стримерные камеры. Эти М. с. обладают меньшим быстродействием.
Двухплечевые М. с. позволяют исследовать процессы, при к-рых две ч-цы испускаются в одном акте, напр. двухчастичный распад. Ч-цы регистрируются в каждом из плеч М. с. (рис. 1). Измеряя их импульсы и угол между ними, можно восстановить эфф. массу объекта, при двухчастичном распаде к-рого они возникли. В детектор попадает только малая доля вторичных ч-ц, образующихся в мишени, Двухплечевые М. с. могут работать в очень интенсивных пучках (~1012 ч-ц за цикл работы ускорителя), что важно при исследовании редких процессов.

Рис. 2. Схема широкоапертурного автоматизированного магнитного спектрометра: 1 — магнит; 2 — трековые детекторы; 3 — сцинтилляционные годоскопич. счётчики; 4 — многоканальный черенковский газовый счётчик для идентификации вторичных ч-ц; 5 — ливневый спектрометр для регистрации эл-нов и -квантов; б — мюонный детектор в виде системы годоскопич. счётчиков и трековых детекторов, прослоённых Fe; 7 — мишень; 8 — дополнительные сцинтилляц. счётчики.
Именно с помощью таких М. с. открыты J/-частица с массой 3,1 ГэВ и ипсилон-частица с массой 9,5 ГэВ. Обе ч-цы выделены по их двухлептонным распадам (J/е+е- и +-). Двухплечевые М. с. регистрируют события только в очень узком кинематич. диапазоне (напр., регистрируется только J/ и ипсилон-частицы, почти покоящиеся в системе центра масс). Кроме того, они обладают малой светосилой и непригодны для анализа сложных многочастичных процессов.
Широкоапертурные М. с. (рис. 2) позволяют измерять траектории и импульсы нескольких вторичных ч-ц, образующихся при вз-ствии первич-
378
ных ч-ц высоких энергий в мишени установки, идентифицировать вторичные ч-цы, определять эфф. массы их разл. комбинаций. Широкоапертурные М. с. обладают большой светосилой, однако значит. часть первичного пучка, как правило, проходит через всю установку, и поэтому они обычно работают при интенсивности, не превышающей неск, миллионов ч-ц за один цикл работы ускорителя. Они могут также настраиваться на выделение двухчастичных распадов ч-ц определ. массы, напр. нейтральных К-мезонов в опытах по изучению нарушения СР-инвариантности в К° 2-распадах.
Спектрометры недостающей массы применяются при исследовании короткоживущих ч-ц (резонансов).

Рис. 3. Принцип действия спектрометра недостающих масс; вверху схема спектрометра (а), внизу спектры недостающих масс — гладкий (б) и с максимумами (в).
Пусть происходит реакция -+ р р+Х- (X — все вторичные ч-цы). Если измерять импульс и угол вылета протона отдачи р с помощью протонного спектрометра (рис. 3,a), то можно определить эфф. массу Мх системы Х- (т. н. недостающую массу). Если в реакции всегда образуется неск. независимых вторичных ч-ц, спектр недостающих масс гладкий. Однако если реакция идёт в два этапа — сначала совместно с протоном отдачи образуются мезонные резонансы с массами M1 или М2 или М3 и соответствующими ширинами Г1, Г2, Г3, а затем резонансы распадаются на вторичные ч-цы, то спектр недостающих масс содержит максимумы, свидетельствующие о существовании резонансов.
Спектрометры для экспериментов со встречными пучками, как правило, содержат большие сверхпроводящие соленоиды, окружающие область, где взаимодействуют два сталкивающихся пучка ч-ц. Такие магн. системы перекрывают телесный угол, близкий к 4л. Встречные пучки проходят по оси соленоида, а детекторы ч-ц (трековые детекторы, сцинтилляц. счётчики, ливневые детекторы и т. д.) располагаются концентрически как внутри соленоида, так и вне его. С помощью спектрометров такого типа открыты -
и '-частицы, очарованные мезоны и тяжёлые лептоны.
• Методы измерения основных величин ядерной физики. Сост.-ред. Люк К. Л. Юан и By Цзянь-сюн, пер. с англ., М., 1964; Элементарные частицы, М., 1978, в. 2, 1980, в. 3 (Материалы школ физики ИТЭФ).
Л. Г. Ландсберг.
МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (МГД-генератор), установка для непосредств. преобразования тепловой энергии в электрическую. Основан на явлении эл.-магн. индукции, т. е. возникновении тока в проводнике, пересекающем магн. силовые линии; в кач-ве движущегося в магн. поле проводника используется плазма или проводящая жидкость (электролиты и жидкие металлы) .
На возможность использования проводящих жидкостей, движущихся в магн. поле, для генерации электрич. токов указал ещё англ. физик М. Фарадей в 1831. Однако предпринятые им же попытки экспериментально проверить эту идею были безуспешны. Осн. принципы устройства современных М. г. были сформулированы в 1907 — 22, однако практич. реализация их оказалась возможной только в кон. 50-х гг. в связи с развитием магнитной гидродинамики, физики плазмы и т. д.
М. г. состоит (рис. 1) из генератора (нагревателя, источника) рабочего тела, в к-ром рабочее тело нагревается до необходимой темп-ры (тв. топливо переходит в газ и ионизуется) и разгоняется до требуемых скоростей; МГД-канала, в к-ром движется рабочее тело (плазма или проводящая жидкость) и происходит отвод генерируемой электроэнергии контактным (с помощью электродов) или индукционным (вторичные обмотки) способами; магн. системы, в магн. поле " к-рой происходит пондеромоторное торможение рабочего тела.

Рис. 1. Схема плазменного МГД-генератора: 1 — генератор плазмы; г — сопло; 3 — МГД-канал; 4 — электроды с последовательно включённой нагрузкой; 5 — магн. система, создающая тормозящее магн. поле; Rн — нагрузка.
По типу используемого рабочего тела М. г. подразделяются на плазменные и жидкометаллические. В плазменных М. г. может использоваться равновесная или неравновесная плазма.
Системы с М. г. могут работать по открытому и замкнутому циклам. В первом случае использованные газы выбрасываются в атмосферу. В М. г. замкнутого цикла рабочее тело, пройдя М. г., возвращается в МГД-канал через компрессор или насос.
Как и в любом генераторе, основанном на принципе эл.-магн. индукции, в проводящем потоке (с электропроводностью а), движущемся в МГД-канале М. г. со скоростью v поперёк магн. поля В, возникает индукц. поле напряжённостью E=vXB. Под действием этого поля в объёме потока и во внеш. цепи возбуждается электрич. ток.
Вз-ствие генерируемого тока с магн. полем приводит к появлению тормозящей пондеромоторной силы, работа к-рой на длине канала М. г. определяет уд. мощность и эффективность М. г. Она тратится на работу во внеш. цепи, на джоулев нагрев рабочего тела и на работу, связанную с токами утечки.
Мощность М. г. N~v2B2. Для жидкометаллич. М. г. существенной проблемой при получении больших мощностей явл. разгон рабочего тела до высоких скоростей. В совр. схемах разгона парогазовой смеси с конденсацией перед МГД-каналом происходят большие потери кинетич. энергии, а при работе с гетерогенным парогазовым рабочим телом — потери электропроводности. Эти потери и ряд др. эффектов ограничивают кпд жидкометаллич. М. г. величинами ~3— 6%; агрегатные мощности М. г.— ок. 0,5—1,0 МВт. Значительно более высокие показатели имеют плазменные М. г. Во-первых, в них рабочее тело можно разгонять до больших скоростей (~2000 —2500 м/с), во-вторых, введение в газы небольших кол-в легко ионизующихся добавок (напр., паров щелочных металлов К, Cs) позволило снизить темп-ру ионизации и получить приемлемые электропроводности плазмы уже при темп-рах 2300—3000 К и атм. давлениях. Использование перегрева электронной компоненты плазмы относительно ионной и ат. компонент также значительно увеличивает электропроводность такой неравновесной плазмы. При типичных значениях магн. индукции В ~ 3Т можно получать кпд плазменных М. г. до 20%, а мощность с ед. объёма рабочего тела ~103 МВт/м3.
При использовании плазмы в кач-ве рабочего тела нужно учитывать особенности работы М. г., связанные с плазменными эффектами и сжимаемостью газа. Так, в сильных магн. полях или в разреж. газе, когда частота соударений эл-нов уменьшается и становится сравнимой с циклотронной частотой вращения эл-нов, они успевают за время между соударениями пройти заметную дугу по ларморовской окружности. Благодаря этому направление тока в плазме не совпадает с направлением напряжённости электрич. поля (Холла эффект).
379
Это приводит к возникновению дополнит. электрич. поля, т. н. поля Холла, направленного навстречу потоку газа. В результате а уменьшается в направлении индуцированного поля и становится анизотропной. Для уменьшения вредных последствий эффекта Холла предпочтительны режимы работы с давлениями, близкими атмосферным. Кроме того, можно разделить электроды на секции (чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала), причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку

Рис. 2. Схемы соединения электродов в МГД-генераторах: a — линейный фарадеевский генератор с секционированными электродами; б — линейный холловский генератор; в — сериесный генератор с диагональным соединением электродов.
(рис. 2, а), что усложняет конструкцию М. г. Если же в идеально секционированном канале электроды коротко замкнуты (рис. 2, 6, в), то поле Холла значительно больше индукционного и этот эффект используется для получения высоких (10—20 кВ) напряжений.
Сжимаемость газа приводит к появлению градиентов давления и темп-ры вдоль канала. Эти эффекты частично компенсируют расширением проточной части канала. Трение газа о стенки канала приводит к образованию холодных пограничных слоев, где теряется часть генерируемого напряжения; в результате трения может также происходить зажигание дуг, разрушающих электроды. При сильных пондеромоторных торможениях рабочего тела может произойти отрыв пограничного слоя и в потоке плазмы возникнут резкие возмущения, поток расслаивается, резко уменьшается индуцированное поле в выходных зонах, генерация срывается. Отсос пограничного слоя частично компенсирует этот эффект.
В канале М. г. может возникать также ряд плазменных неустойчивостей, обусловленных локальными перегревами, неоднородностью ионизации и т. п.
Отсутствие движущихся деталей (осн. преимущество М. г.) и принципиально высокая рабочая темп-ра позволяют создавать М. г. с высокими кпд и большими агрегатными мощностями. В комбинированных ТЭС можно применять М. г. как высокотемпературные ступени перед обычными машинными генераторами, что должно повысить кпд станции в целом на 10—15%. Быстрота выхода на режим (~1 с) позволяет на базе М. г. создавать пиковые и аварийные электростанции, а также мощные импульсные МГД-установки. Используя принцип самовозбуждения магн. системы, можно создавать автономные импульсные МГД-установки. Малое количество вредных примесей в выхлопных газах М. г., работающих на природных ископаемых топливах, обеспечивает лучшие условия защиты окружающей среды от теплового и химического загрязнений. Созданы экспериментальные МГД-генераторы, генерирующие до 10—20 МВт в течение сотен часов. В народном хозяйстве используются мощные импульсные М. г. открытого цикла, работающие на продуктах сгорания специальных твёрдых топлив. Разработаны МГД-установки для прогнозирования землетрясений методом периодических глубинных зондирований земной коры, для геофиз. нефтепоисковых работ и т. д.
Исследования и разработки в области М. г. ведутся в СССР, США, Японии, Индии и др. странах.
• Р о з а Р., Магнитогидродинамическое преобразование энергии, пер. с англ., М., 1970; Магнитогидродинамическое преобразование энергии, М., 1979.
Ю. М. Волков.