Магазины электрических ве­личин

Вид материалаДокументы

Содержание


Магнитный монополь
Магнитный полюс
Магн. поле и полюсы (N и S) намагниченного стального стержня. Линиями со стрелками обозначены линии магн. индукции (линии замыка
Магнитный потенциалометр
МАГНИТНЫЙ ПОТОК (поток магнит­ной индукции)
Магнитный пробой
Магнитный спектрометр
Широкоапертурные М. с.
Рис. 3. Принцип действия спектрометра не­достающих масс; вверху схема спектрометра (а), внизу спектры недостающих масс — гладкий
Л. Г. Ландсберг.
Ю. М. Волков.
Подобный материал:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   26
МАГНИТНЫЙ МОНОПОЛЬ. Законы природы обнаруживают большую сте­пень подобия между электрич. и магн. полями. Ур-ния поля, установленные англ. физиком Дж.. Максвеллом, одни :и те же для обоих полей. Имеется, однако, одно большое различие. Ч-цы с электрич. зарядами, положитель­ными и отрицательными, постоянно наблюдаются в природе, они создают в окружающем пр-ве кулоновское электрич. поле. Магнитные же за­ряды, ни положительные, ни отрица­тельные, никогда не наблюдались по отдельности. Магнит всегда имеет два равных по величине полюса на двух своих концах — положительный и от­рицательный, и магн. поле вокруг него есть результирующее поле обоих по­люсов.

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.

/> Ю. М. Волков.