Когда под влиянием высокой температуры от некоторых молекул газа отделяются орбитальные электроны, возникает богатая смесь свободных электронов и положительных ионов. Таким образом, пламя порождает как электроны, так и положительные ионы, способные служить носителями для поддержания электри ческого тока. В то же время пламя создает температурные градиенты, вызывающие конвекционные потоки газов, из которых состоит пламя. Поскольку носители электрического заряда яв ляются составной частью газов, конвекционные потоки пред ставляют собой также и электрические токи.
Эти конвекционно-электрические токи, существующие в пла мени, при наличии внешнего магнитного поля подвержены дейст вию сил Лоренца. В зависимости от природы взаимодействия между током и полем приложение внешнего магнитного поля мо жет либо уменьшить, либо увеличить яркость пламени. Давление газов в пламени, взаимодействующем с переменным магнитным полем, модулируется силами Лоренца, которые действуют на кон векционные потоки. Поскольку в результате модуляции давления газа возникают звуковые колебания, пламя может служить преоб разователем, который преобразует электрическую энергию в зву ковую. Пламя, обладающее описанными свойствами, называют поющим пламенем.
22.3. ДУГОГАСЯЩИЙ МАГНИТ
Дугогасящие магниты применяют для гашения электри ческой дуги. Это осуществляется путем растягивания дуги до такой степени, что градиент потенциала вдоль дуги становится меньше того, который необходим для ионизации газа и соответ ственно для поддержания дуги.
Электрическая дуга представляет собой электрический ток разряда, протекающий через газ. Разряд может поддержи ваться одним из следующих двух механизмов (или обоими механизмами одновременно). В первом механизме электроныносители испускаются с поверхностей электродов, когда гради енты потенциала на этих поверхностях превышают работу вы хода. Во втором механизме градиенты потенциала ионизируют молекулы газа. После ионизации появляются свободные электро ны и остаточные положительные ионы, обладающие свойствами носителей тока. Градиент потенциала на электрической дуге в газе приблизительно соответствует потенциалу ионизации моле кул газа в области дуги.
Независимо от того, за счет каких механизмов поддержива ется дуга, она представляет собой электрический ток и, следова тельно, подвержена действию сил Лоренца. При наличии по перечно направленного внешнего магнитного поля дуга по край ней мере изгибается, вследствие чего увеличивается ее длина. Такое взаимодействие между током и магнитным полем обычно
Рис, 22,1. Дугогасящий магнит. Под влиянием сил Лоренца, дей ствующих на носители заряда в искре, длина искры увеличи вается до тех пор, пока не про изойдет ее гашение
используют для гашения электрической дуги, возникающей при размыкании контактов реле в цепях высокого напряжения. Если параллельно с контактами реле включены электроды, обра зующие воздушный зазор в форме буквы V, как показано на рис. 22.1, то дуга, обусловленная напряжением прерываемой цепи, первоначально образуется у нижней границы У-образного зазора. Затем под действием поперечного приложенного магнит ного поля дуга изгибается и одновременно смещается вдоль поверхностей электродов к верхней, расширенной части зазора. Оба фактора приводят к значительному увеличению длины дуги. Поскольку длина пути электрического тока быстро увели чивается при неизменном приложенном напряжении, градиент потенциала вдоль дуги уменьшается, и дуга гасится, когда этот градиент становится меньше значения, соответствующего потен циалу ионизации молекул газа.
22.4. МАГНИТОСФЕРА
Магнитосфера представляет собой ту область среды, окру жающей Землю, где доминирующую роль играет магнитное поле. Это поле является векторной суммой собственного маг нитного поля Земли, или геомагнитного поля, и магнитных по лей, связанных с солнечным излучением.
Как перегретое тело, подверженное сильным тепловым и ра диоактивным возмущениям, Солнце выбрасывает огромные коли чества плазмы, состоящей приблизительно наполовину из элек тронов и наполовину из протонов. Хотя плазма выбрасывается с поверхности Солнца во всех направлениях, значительная ее часть, удаляясь от Солнца, образует след, направленный более или менее в одну сторону под влиянием движения Солнца в пространстве. Такая миграция плазмы называется солнеч ным ветром. Пока электроны и протоны, образующие сол нечный ветер, движутся совместно, имея равные концентрации, они не создают магнитного поля. Однако любые различия в
скоростях их дрейфа порождают электрический ток, а различия в концентрациях — напряжение, способное вызывать электриче ский ток. В любом случае плазменные токи порождают соот ветствующие магнитные поля.
Земля находится на пути солнечного ветра. Когда его час тицы и связанное с ними магнитное поле приближаются к Земле, они взаимодействуют с геомагнитным полем. В результате взаимо действия изменяются оба поля. Таким образом, форма и харак теристики геомагнитного поля отчасти определяются проходя щим через него солнечным ветром.
Излучательная активность Солнца чрезвычайно изменчива как во времени, так и в пространстве — по поверхности Солнца. Поскольку Солнце вращается вокруг своей оси, солнечный ветер находится в состоянии непрерывного изменения. Вследствие того что Земля также вращается вокруг своей оси, характер взаимодействия между солнечным ветром и геомагнитным полем также непрерывно изменяется. Значительные проявления этих изменяющихся взаимодействий называются магнитосферными бурями в солнечном ветре и магнитными бурями в геомагнитном поле.
Другие явления, связанные с взаимодействием между части цами солнечного ветра и магнитосферой,— это полярное сия ние, упомянутое выше, и электрический ток, текущий в атмо сфере вокруг Земли в направлении с востока на запад.
22.5. МАГНИТНАЯ ФОКУСИРОВКА
Траектория заряженной частицы, движущейся в тороидаль ном магнитном поле, изгибается под влиянием этого поля по добно световым лучам, проходящим через стеклянную линзу. Фактически такое магнитное поле действует как магнитная линза. При этой магнитной фокусировке все заряженные час тицы, движущиеся с одной и той же скоростью, отклоняются
Катушка
Рис. 22.2. Магнитная фокусировка. Катушка действует как линза, сводя в одну
фокальную точку носители, имеющие одинаковые скорости н массы:
• — холодная заряженная частица; • — горячая заряженная частица
на одинаковые углы при входе в магнитное поле и при выходе из него (рис. 22.2). Следовательно, если все такие частицы по рождаются одним точечным источником, то все они окажутся снова в одной и той же фокальной точке. Чем быстрее движется частица, тем дальше находится ее фокальная точка.
22.6. БЕТА-СПЕКТРОМЕТР
Рассмотрим ситуацию, когда радиоактивный источник испус кает электроны, скорости (энергии) которых распределены в ши роком диапазоне значений. Используя магнитную линзу и регу лируя соответствующим образом напряженность фокусирующего поля, можно свести в один общий фокус все электроны с опре деленным значением энергии. Если задана одна постоянная напряженность поля, то электроны с разными скоростями по падут в разные фокальные точки на оси линзы. Если же выби рается определенная напряженность поля для каждого значе ния скорости частиц, то все они могут быть направлены в одну и ту же фокальную точку.
Фокусирующая катушка
Радио- |
Детектор |
активный, |
бета- |
источник |
излучения |
|
Фокусирующий ток |
Рис. 22.3. Бета-спектрометр. Изменяя в заданных пределах значение фокуси рующего тока, можно направить в одну и ту же фокальную точку носители с разными характеристиками в после довательные моменты времени:
• — электрон
В бета-спектрометре пути между источниками частиц и фо кальной точкой перекрыты для всех электронов, кроме тех, что движутся с определенной скоростью, как показано на рис. 22.3. Заставляя фокусирующий ток изменяться в заданном диа пазоне значений и измеряя результирующий ток чувствительного элемента, можно получить спектр энергий "лектроиов рассмат риваемого источника, т. е. относительное число электронов, испускаемых на каждом энергетическом уровне.
22.7. ОПЫТ ШТЕРНА — ГЕРЛАХА
Опыт Штерна — Герлаха доказывает одновременное сущест вование параллельных и антипараллельных магнетонов в упо рядочивающем их ориентацию магнитном поле; это достига ется путем разделения магнетонов с параллельной и антипараллельной ориентациями. Пучок ионов металла пропускается через магнитное поле, имеющее неравномерное распределение
Северный
полюс
Рис. 22.4. Схема Штерна — Герлаха. При помощи магнитного поля определенной формы можно разделить магнетоны пучка, ориентированные в противоположных
направлениях:
| — ионный магнетон
напряженности по направлению, совпадающему с направлением поля. Магнетоны, представляющие собой атомные ядра со спи ном, упорядочивают свои ориентации под влиянием магнитного поля — одни из них ориентируются по направлению поля, т. е. параллельно, другие — в противоположном направлении, т. е. антипараллельно, в зависимости от напряженности поля. В лю бом случае один конец магнетона находится под воздействием более сильного поля, чем другой конец. При этом у параллель ного магнетона один конец, обращенный к более сильному полю, притягивается им сильнее, чем другой конец притягивается бо лее слабым полем. И, наоборот, у антипараллельного магнетона один конец отталкивается полем сильнее, чем другой конец. В результате те магнетоны, которые ориентированы в направле нии поля, приобретают некоторое ускорение в этом направлении, тогда как магнетоны, ориентированные противоположно направ лению поля, приобретают ускорение в этом противоположном направлении.
Как показано на рис. 22.4, при достаточно длинном пути пучка частиц в неравномерном магнитном поле параллельные магнетоны отделяются от антипараллельных. Первые из них попадают на мишень с некоторым смещением в сторону более сильного поля, вторые — с некоторым смещением в сторону более слабого поля.
22.8. СХЕМА РАБИ
Опыты со схемой Раби доказывают существование ядерной прецессии. Это достигается путем отделения ядер одного тина, которые заставляют прецессировать, от ядер всех других ти пов. Раби объединил два сепаратора типа Штерна — Герлаха, расположив их последовательно навстречу один другому так,