Что такое пинч эффект

Пинч-эффект

(от англ. pinch — сужение, сжатие)

эффект самостягивания разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это явление описано в 1934 американским учёным У. Беннетом применительно к потокам быстрых заряженных частиц в газоразрядной плазме (См. Плазма). Термин «П.-э.» введён в 1937 английским физиком Л. Тонксом при исследовании дугового разряда (См. Дуговой разряд).

Механизм П.-э. проще всего понять на примере тока I, текущего вдоль оси цилиндра, заполненного проводящей средой. Силовые линии магнитного поля, создаваемого I, имеют вид концентрических окружностей, плоскости которых перпендикулярны оси цилиндра. Электродинамическая сила, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока j, в СГС системе единиц равна 1 /_c ․ [jb] и направлена к оси цилиндра, стремясь сжать среду. Возникающее состояние и есть П.-э. (Здесь квадратные скобки обозначают Векторное произведение; с — Скорость света в вакууме; В — Магнитная индукция в рассматриваемом единичном объёме.) П.-э. можно считать также простым следствием Ампера закона о магнитном притяжении отдельных параллельных токовых нитей (элементарных токовых трубок), совокупностью которых является токовый цилиндр. Магнитному сжатию препятствует газокинетическое давление проводящей среды, обусловленное тепловым движением её частиц; силы этого давления направлены от оси токового канала. Однако при достаточно большом токе перепад магнитного давления становится больше газокинетического и токовый канал сжимается — возникает П.-э.

Для П.-э. необходимо примерное равенство концентраций носителей зарядов противоположного знака в среде. В потоках же носителей зарядов одного знака электрическое поле пространственного заряда (См. Пространственный заряд) эффективно препятствует сжатию тока. Прохождение достаточно больших токов через газ сопровождается его переходом в состояние полностью ионизованной плазмы, состоящей из заряженных частиц обоих знаков. П.-э. в этом случае отжимает плазменный шнур (токовый канал) от стенок камеры, в которой происходит разряд. Т. о. создаются условия для магнитной термоизоляции плазмы. Этим свойством мощных самосжимающихся разрядов (их называют пинчами) объясняется возникший в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза (См. Управляемый термоядерный синтез) (УТС) интерес к П.-э., как к наиболее простому и обнадёживающему механизму удержания высокотемпературной плазмы.

Условия, при которых газокинетическое давление плазмы nk (T_e + T_i) становится равным магнитному давлению поля тока I, описываются соотношением Беннета: (2I/cr) 2 /8π = nk (T_e + T_i). Здесь n — число частиц в единице объёма, r — радиус пинча; T_e и T_i — электронная и ионная температуры, соответственно; n — число электронов в единице объёма (равное из условия квазинейтральности плазмы числу ионов); k — Больцмана постоянная. Из формулы Беннета следует, что для достижения минимальной температуры (Т

10 8 К), при которой термоядерный синтез может представлять интерес как источник энергии, требуется хотя и большой, но вполне осуществимый ток

10 6 а. Исследование пинчей в дейтерии (См. Дейтерий) началось в 1950—51 одновременно в СССР, США и Великобритании в рамках национальных программ по УТС. При этом основное внимание уделялось двум типам пинчей — линейному и тороидальному. Предполагалось, что плазма в них при протекании тока будет нагреваться не только за счёт её собственного электрического сопротивления (джоулев нагрев), но и при так называемом адиабатическом (т. е. происходящем без обмена энергией с окружающей средой) сжатии пинча. Однако в первых же экспериментах выяснилось, что П.-э. сопровождается развитием различных плазменных неустойчивостей (см. Магнитные ловушки). Образовывались местные пережатия («шейки») пинча, его изгибы и винтовые возмущения («змейки»). Нарастание этих возмущений происходит чрезвычайно быстро и ведёт к разрушению пинча (его разрыву или выбрасыванию плазмы на стенки камеры). Оказалось, что простейшие пинчи подвержены практически всем видам неустойчивостей высокотемпературной плазмы и могут служить как для их изучения, так и для испытания разных способов стабилизации плазменного шнура. Ток

10 6 а в установках с линейным пинчём получают при разряде на газовый промежуток мощных конденсаторных батарей. Скорости нарастания тока в отдельных случаях

10 12 а/сек. При этом наиболее существенным оказывается не джоулев нагрев, а электродинамическое ускорение к оси токового шнура его тонкой наружной оболочки (скин-слоя; см. Скин-эффект), сопровождающееся образованием мощной сходящейся к оси ударной волны (См. Ударная волна). Превращение накопленной такой волной энергии в тепловую создаёт плазму с температурой, намного более высокой, чем мог бы дать джоулев нагрев. С др. стороны, преобразование в пинче энергии электрического тока в тепловую становится значительно эффективнее, когда определяющий вклад в электрическое сопротивление плазмы начинает давать её турбулентность, возникающая при развитии так называемых микронеустойчивостей (см. Плазма).

Для мощных импульсных пинчей в разрежённом дейтерии характерно, что при некоторых условиях они становятся источниками жёстких излучений (нейтронного и рентгеновского). Это явление впервые было обнаружено в СССР в 1952.

Хотя в простейших вариантах пинчей и не удалось решить задачу УТС, самосжимающиеся разряды явились своеобразной школой плазменных исследований, позволив получать плотную плазму со временем жизни хотя и малым, но достаточным для изучения физики П.-э., создать разнообразные методы диагностики плазмы (См. Диагностика плазмы), развить современную теорию процессов в ней. Эволюция установок, использующих П.-э., привела к созданию многих типов плазменных устройств, в которых неустойчивости П.-э. либо стабилизируются с помощью внешних магнитных полей («Токамаки», Θ-пинчи и т.д.), либо сами эти неустойчивости используются для получения короткоживущей сверхплотной плазмы в так называемых «быстрых» процессах («плазменный фокус», «микро-пинчи»). Поэтому в настоящее время (1975) существенное место в национальной и межнациональной программах решения проблемы УТС (СССР, США, Европейское сообщество по атомной энергии) отводится системам, в основе которых лежит П.-э.

П.-э. имеет место не только в газовом разряде, но и в плазме твёрдых тел (См. Плазма твёрдых тел), особенно в так называемой сильно вырожденной электронно-дырочной плазме полупроводников (См. Полупроводники).

Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969, Пост Р., Высокотемпературная плазма и управляемые термоядерные реакции, пер. с англ., М., 1961; Стил М., Вюраль Б., Взаимодействие волн в плазме твёрдого тела, пер. с англ., М., 1973.

Источник

Пинч-эффект

Содержание

Механизм эффекта

Механизм П—э. можно рассмотреть на примере z-пинча. Силовые линии магн. поля В, создаваемого током, имеют вид концентрич. окружностей, плоскости к-рых перпендикулярны оси. Возникающая электро-динамич. сила F, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока j, равна с-1 [jВ], направлена по радиусу к оси цилиндра и вызывает сжатие токового канала. Сжимающее действие протекающего тока можно считать также простым следствием закона Ампера о магн. притяжении отд. параллельных токовых нитей с одинаковым направлением, создающих полный ток J.

Реализация

Плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяются в различных областях техники: в частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия. Одним из примеров применения эффекта в низкотемпературной плазме является ртутный выпрямитель, а также генераторы низкотемпературной плазмы.

Если электрическую дугу пропускать через охлаждаемое сопло и одновременно обдувать газом, то дуга сжимается, причем на границе электрического разряда наблюдается интенсивный теплообмен и деионизация.

Отдел импульсной техники СО РАН

В отделе импульсной техники под руководством академика Б.М.Ковальчука разрабатываются крупнейшие электрофизические установки для фундаментальных исследований и отработки новых технологий. В их числе тераваттные генераторы ГИТ-12 и ГИТ-4, десятки других универсальных и специализированных устройств.

Источник

Что такое пинч эффект

Сужение плазмы в плазменный шнур

В стационарных условиях должно существовать равновесие между газокинетическим давлением, стремящимся расширить плазменный шнур, и электродинамическими силами, которые сжимают его. Условие равновесия в общем случае имеет вид:

Соотношение, связывающее силу тока со средним давлением в плазменном шнуре:

I 2 A = 200 p R 2 p,

Пинч-эффект появляется в токовом канале, например в цилиндре, заполненном проводящей средой. Электрическое поле приложено к противоположным концам цилиндра и действует по его оси. Силовые линии магнитного поля имеют вид концентрических окружностей, плоскости которых перпендикулярны к оси цилиндра. Сила направлена к оси цилиндра и стремится сжать проводящую среду.

Пинч-эффект имеет место в твердотельной плазме (при равной концентрации носителей заряда противоположных знаков) и в низкотемпературной плазме.

Время оптимального проявления (log t k от 0 до 3).

Технические реализации эффекта

В разрядной трубке поджигается дуговой разряд. По мере увеличения силы тока визуально наблюдается утоньшение (контракция) разрядного шнура. Это видно на рис. 2.

Пинч-эффект в прямой разрядной трубке

Плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяются в различных областях техники: в частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия.

Одним из примеров применения эффекта в низкотемпературной плазме является ртутный выпрямитель, а также генераторы низкотемпературной плазмы.

Если электрическую дугу (рис. 3) пропускать через охлаждаемое сопло и одновременно обдувать газом, то дуга сжимается, причем на границе электрического разряда наблюдается интенсивный теплообмен и деионизация.

Происходит сжатие столба дуги, и усиливается сжимающее действие собственного магнитного поля дуги. В результате увеличивается напряженность электрического поля разряда, электрическая мощность, выделяющаяся в единице объема столба дуги. Температура по оси дуги повышается и может достигать величин, характерных для низкотемпературной плазмы, т.е. 20 ё 50 тыс. К.

1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.

2. Бреховских Л.М., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных сред.- М.: Наука, 1982.

Источник

Физики запустили термоядерную реакцию в стабилизированном Z-пинче

Yue Zhang et al. / Physical Review Letters, 2019

Американские физики впервые осуществили управляемый термоядерный синтез в стабилизированном Z-пинче. Температура плазмы достигала двадцати миллионов кельвин, а время ее удержания составляло около 16 микросекунд, что в 5000 раз превышает время удержания в нестабилизированном Z-пинче. В течение этого времени ученые регистрировали в среднем около ста миллионов нейтронов, родившихся в результате термоядерного синтеза. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Впервые идея управляемого термоядерного синтеза возникла более шестидесяти лет назад, в начале 50-х годов прошлого века. К сожалению, осуществить его не удалось до сих пор. В основном низкая эффективность термоядерного реактора связана с высокой температурой плазмы, необходимой для синтеза (порядка десяти миллионов градусов). Во-первых, чтобы нагреть вещество до такой температуры, нужно потратить много энергии. Во-вторых, чтобы плазма не расплавила стенки реактора, нужно поддерживать мощное магнитное поле, что тоже требует большой мощности. Более того, намагниченная плазма все равно остается очень нестабильной, из-за чего ее невозможно удерживать в течение долгого времени. В результате даже самый эффективный термоядерный реактор (NIF) не смог получить энергии больше, чем требуется на «поджиг» топлива, а самый «стойкий» реактор (EAST) удерживал плазму чуть больше минуты.

Простейшим устройством, способным удерживать плазму для термоядерного синтеза, является Z-пинч. Эта установка состоит из двух электродов, которые пропускают через плазму большой ток в направлении оси z (отсюда взялось название установки). В свою очередь, ток создает сильное кольцевое магнитное поле, которое сжимает и разогревает плазму. Исторически Z-пинч был одной из первых установок, на которых физики увидели нейтроны, рождающиеся в термоядерном синтезе. К сожалению, ее эффективность оказалась сильно ограничена уравнениями магнитной гидродинамики — проще говоря, возникающий в ней плазменный жгут получался очень нестабильным, и добиться большого выхода энергии не удавалось. Поэтому впоследствии ученые сосредоточились на других конструкциях термоядерного реактора (например, токамаках и стеллараторах)

Тем не менее, около 20 лет назад физики-теоретики обнаружили, что плазменный жгут Z-пинча можно стабилизировать, если сдвинуть в радиальном направлении поток частиц, который в обычных условиях направлен вдоль тока (то есть вдоль оси z). Согласно расчетам ученых, после такой модификации время удержания пучка вырастает по меньшей мере в тысячу раз. Несколько лет спустя группа исследователей под руководством Ури Шумлака (Uri Shumlak) проверила это предположение на практике и подтвердила, что время удержания стабилизированного пучка действительно растет. Впрочем, осуществить термоядерный синтез ученым тогда не удалось.

Теперь же физики не только получили стабилизированный Z-пинч, но и показали, что его можно использовать для термоядерного синтеза. Для этого ученые воспользовались установкой FuZE, построенной специально для получения стабилизированных пучков. Плазму исследователи получали из смеси газообразного водорода и дейтерия, взятых в соотношении 4:1. Сила тока, пропускаемого через плазменный пучок, достигала 200 тысяч ампер (в сто тысяч раз больше силы тока зарядного устройства для телефона). Чтобы контролировать профиль образующейся плазмы, физики использовали цифровой голографический интерферометр, то есть просвечивали плазму лазером, строили ее голографическое изображение и восстанавливали по нему плотность электронов. Температуру плазмы ученые оценивали с помощью ионной допплеровской спектроскопии. Наконец, поток нейтронов, которые рождаются в ходе термоядерного синтеза, исследователи измеряли с помощью пластиковых сцинтилляторов, связанных с фотоумножительными трубками.

Схема строения установки FuZE

Yue Zhang et al. / Physical Review Letters, 2019

Источник

ПИНЧ-ЭФФЕКТ

Смотреть что такое «ПИНЧ-ЭФФЕКТ» в других словарях:

ПИНЧ-ЭФФЕКТ — (от англ, pinch сужение, сжатие) (эффект самосжатия разряда), свойство электрич. токового канала в проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это явление описано в 1934… … Физическая энциклопедия

пинч-эффект — (англ. pinch сужение, сжатие) физ. сжатие плазмы, в которой течет электрический ток, магнитным полем, порожденным самим током; эффект используется для удержания нагретой током плазмы в экспериментальных установках по осуществлению управляемой… … Словарь иностранных слов русского языка

пинч-эффект — (от англ. pinch сужение, сжатие), сжатие разряда в газах под действием протекающего по нему тока; наблюдается при достаточно больших силах тока. Взаимодействие тока с его собственным магнитным полем создаёт силу, сжимающую разрядный столб. * * * … Энциклопедический словарь

пинч-эффект — самостягивание Словарь русских синонимов. пинч эффект сущ., кол во синонимов: 2 • реострикция (1) • … Словарь синонимов

пинч-эффект — пинч эффект, пинч эффекта … Орфографический словарь-справочник

ПИНЧ-ЭФФЕКТ — (от англ. pinch здесь сужение, сжатие), сжатие разряда в газах под действием протекающего по нему тока; наблюдается при достаточно больших силах тока. Взаимодействие тока с его собственным магнитным полем создает силу, сжимающую разрядный столб … Большой Энциклопедический словарь

пинч-эффект — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN pinchpinch effectPE … Справочник технического переводчика

Пинч-эффект — (от англ. pinch сужение, сжатие) эффект самостягивания разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это … Большая советская энциклопедия

пинч-эффект — glaudos reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. pinch effect vok. Einschnüreffekt, m; Pinch Effekt, m rus. пинч эффект, m pranc. effet de pincement, m; effet de striction, m … Fizikos terminų žodynas

пинч-эффект — пинч эффе/кт, пинч эффе/кта … Слитно. Раздельно. Через дефис.

пинч-эффект — пинч эфф ект, а … Русский орфографический словарь

Источник

• ← Что такое пинч у кошек
• Что такое пинчер в баре →