CC BY
37
УДК 537.525.1
Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 1 (59). 2014. Вып. 3
В. Ю. Карасёв, С. И. Павлов, Е. С. Дзлиева, М. А. Ермоленко, Л. А. Новиков, В. А. Полищук
МАГНИТНЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ*
Санкт-Петербургский государственный университет, 199034, Санкт-Петербург, Российская Федерация
В работе представлено текущее положение дел по изучению магнитомеханических явлений в газовом разряде в магнитном поле. Направление момента сил, возникающего в газовом разряде в однородном продольном магнитном поле, сонаправлено с вектором магнитной индукции. Показано, что на величину момента сил могут влиять несколько причин различной природы, вплоть до перемены его знака. Момент сил объясняется ионным увлечением, действующим на торцевые поверхности подвеса, и увлечением вращения газа под влиянием анодного торца соленоида из-за силы Ампера. Проведено моделирование на основе модели, заимствованной из физики комплексной плазмы с учётом анодного торцевого эффекта. Получено согласие с экспериментальными измерениями момента по величине и по существованию максимума на зависимости момента сил от магнитного поля и его положению. Библиогр. 13 назв. Ил. 1.
Ключевые слова: газовый разряд, магнитное поле, магнитомеханический эффект.
V. Yu. Karasev, S. I. Pavlov, E. S. Dzlieva, M. A. Ermolenko, L. A. Novikov, V. A. Polischuk
MAGNETIC AND MECHANICAL PHENOMENA IN GAS DISCHARGE
St. Petersburg State University, 199034, St. Petersburg, Russian Federation
In the article presents the current situation of studying of the magnetomechanical phenomena in the gas discharge in a magnetic field. The direction of the moment of forces arising in the gas discharge in a uniform longitudinal magnetic field coincides with a vector of magnetic induction. It is shown that some reasons of various nature can influence to the value of the moment of forces, up to change of its sign. In the conditions of works of authors the moment of forces is explained by ionic drift onto side surfaces of a suspension and of gas rotation under the influence of an anode end face of the solenoid because of Ampere force. The numerical simulation on the basis of the model borrowed from physics of complex plasma taking into account anode face effect is carried out. The consent with experimental measurements of the moment both in magnitude and on maximum existence on dependence of the moment of forces on a magnetic field and to its position is received. Refs 13. Figs 1.
Keywords: gas discharge, magnetic field, magnetomechanical effect.
Введение. В тлеющем и высокочастотном газовых разрядах в магнитном поле возникают механические эффекты. Впервые такие явления были зарегистрированы в [1, 2]. В вертикально ориентированной разрядной трубке, помещённой в продольное магнитное поле, возникает момент сил, действующий на легкий диэлектрический подвес, расположенный внутри трубки на её оси. Авторы работ [1, 2], считая, что момент сил вызван вращающимся вокруг оси разряда нейтральным газом (само вращение газа объяснялось «врождённым» свойством разряда в магнитном поле), назвали явление магнитомеханическим эффектом. Магнитомеханический эффект изучался в разное время [1-11], но однозначного теоретического описания не получил. В результате повторных экспериментальных исследований, явление было пересмотрено. В частности,
* Работа поддержана: РФФИ грант № 14-02-00313, НИР СПбГУ 11.38.642.2013, 11.39.313.2014 и 11.50.1587.2013.
не подтвердились измерения скоростей вращения газа разряда субтепловой величины, также были устранены неопределённости и противоречия в определении знака момента сил. В появляющихся в последнее время работах по исследованию физических причин магнитомеханического эффекта рассматривались новые возможные составляющие эффекта (ионное увлечение, краевые и торцевые особенности камер и установок) и были применены представления, заимствованные из теории комплексной плазмы. Магнитное поле в исследуемом диапазоне действует на пылевые частицы не непосредственно, а через плазменные компоненты, в первую очередь через ионы, а также, возможно, в определённых условиях и через передачу импульса от нейтрального газа [12]. Ниже мы обсудим аналогично [13] влияние потоков частиц в плазме, которые существуют в процессе поддержания стационарного заряда подвеса, находящегося в плазме в продольном магнитном поле под плавающим потенциалом. Предложенная ранее в [10] модель развита в отношении воздействия магнитного поля на амбиполярное поле разряда и влияния краевого эффекта на анодном торце соленоида. Результаты численного моделирования сопоставляются с экспериментально измеренным моментом подвеса.
О моменте сил. Значение вращательного момента сил измерено в [7]. Направление момента сил совпадает с направлением вектора магнитной индукции. С ростом магнитного поля значение момента сначала растёт, затем выходит на насыщение. В наших измерениях обнаруживается плоский максимум, положение которого на шкале магнитного поля смещается в сторону увеличения при повышении давления газа, но не зависит от разрядного тока. Значение момента в максимуме растёт по мере увеличения давления. Положение максимума и его значение зависят от рода изучаемого газа. В работе [8] высказано предположение, что на значение момента сил может влиять торцевой эффект соленоида. Можно заметить на приведённом в [2] рисунке, что в используемой установке электроды расположены внутри соленоидов (т. е. торцевые эффекты отсутствуют), при этом измеренный момент сил не имеет максимума. Кроме того, момент сил существует в плазме ВЧ разряда, и торцевые эффекты не могут быть причиной явления, но могут влиять на него. Это было проверено в новом эксперименте, поставленном по методике [7], но с перемещаемым вдоль трубки коротким соленоидом. При перемещении соленоида вдоль оси трубки подвес последовательно оказывался в центре соленоида и на его торцах. Было зарегистрировано существенное уменьшение значения момента сил только на анодном торце — до 50 %. Таким образом, проведённый анализ и дополнительный эксперимент не противоречат модели, предложенной в [10]. Рассматривая внутренний поток плазменных частиц на подвес, существующий в процессе поддержания его стационарного заряда, и вычисляя момент сил, сообщаемый потоком ионов на торцевую поверхность подвеса, получаем выражение для момента сил
юл
М = ЬБт^УтМо--о-,Ег. (1)
1 + ю|т2
Все обозначения стандартные, электрическое поле Ег определяется из выражения в случае замагниченных электронов и незамагниченных ионов
Е Ута[Ге-Г<(ая)е(ая)<] еп[ 1 + (ют)е(ют)4]
Учитывая влияние анодного торцевого эффекта из-за действия силы Ампера, линейное по магнитному полю и разрядному току, промоделируем численно по (1) и (2) зависимость момента сил от магнитного поля при условиях эксперимента. Можно сказать,
что экспериментальная кривая [7] и моделирование (рисунок), демонстрируют качественное соответствие. Имеется максимум на зависимости, приходящийся на область магнитного поля, соответствующую эксперименту. Подобные сопоставления выполнены при других давлениях аргона и в неоне.
1,1-, 1,00,90,80,70,60,50,40,30,20,1 0,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
В, Г
Зависимость момента сил от индукции магнитного поля: момент представлен в произвольных единицах, газ — аргон, давление 0,09 торр
Заключение. В сообщении представлено текущее положение дел по изучению маг-нитомеханических явлений в газовом разряде в магнитном поле. По-видимому, на значение момента сил могут влиять несколько причин различной природы, вплоть до перемены знака, как недавно показано в [8]. В условиях наших работ момент сил объясняется ионным увлечением торцевых поверхностей подвеса и увлечением вращения газа под влиянием анодного торца соленоида.
Литература
1. Уразаков Э. И. Некоторые данные о вращательном магнито-механическом эффекте в плазме низкого давления // Журн. эксп. теор. физики. 1963. Т. 44. C. 41.
2. Грановский В. Л., Уразаков Э. И. Вращательный магнито-механический эффект в плазме низкого давления // Журн. эксп. теор. физики. 1960. Т. 38. C. 1354.
3. Захарова В. М., Каган Ю. М. О вращении положительного столба разряда в магнитном поле // Опт. и спектр. 1965. Т. 19. C. 140.
4. Чайка М. П. Влияние осевого магнитного поля на давление газа в разрядной трубке // Опт. и спектр. 1991. Т. 71. C. 543.
5. КарасёвВ.Ю., Семёнов Р. И., Чайка М. П. Эксперименты по магнитомеханическому эффекту // Опт. и спектр. 1998. Т. 84. C. 910.
6. Карасёв В. Ю., Семёнов Р. И., Чайка М. П. Направление момента сил в положительном столбе разряда в продольном магнитном поле // Опт. и спектр. 1998. Т. 85. C. 181.
7. Карасёв В. Ю., Чайка М. П. Эйхвальд А. И. Измерение магнитомеханического эффекта в газовом разряде // Опт. и спектр. 2001. Т. 91. C. 34.
8. Nedospasov A. V. Motion of plasma-dust structures and gas in a magnetic field // Phys. Rev. (E). 2009. Vol. 9. 036401.
9. Недоспасов А. В., Ненова Н. В. Силы ионного увлечения и магнитомеханический эффект // Журн. эксп. теор. физики. 2010. Т. 138. Вып. 5(11). С. 991-997.
10. Карасёв В. Ю. О магнитомеханическом эффекте в газовом разряде // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2009. Вып. 4. C. 122.
11. ДзлиеваЕ.С., КарасёвВ.Ю., ЭйхвальдА.И. Исследование магнитомеханического эффекта в газовом разряде с помощью пылевых частиц // Опт. и спектр. 2002. Т. 92, № 6. С. 1018—1023.
12. Karasev V. Yu., DzlievaE. S., Ivanov A. Yu., Eikhval'd A. I. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field // Phys. Rev. (E). 2006. Vol. 74. 066403.
13. Karasev V. Yu., DzlievaE. S., Ivanov A. Yu., Eikhval'd A. I. Single dust-particle rotation in glow-discharge plasma // Phys. Rev. (E). 2009. Vol. 79. 026406.
Статья поступила в редакцию 25 апреля 2014 г.
Контактная информация
Карасёв Виктор Юрьевич — доктор физико-математических наук, профессор; e-mail: [email protected]
Павлов Сергей Иванович — аспирант; e-mail: [email protected] Дзлиева Елена Сослановна — кандидат физико-математических наук. Ермоленко Максим Анатольевич — кандидат физико-математических наук. Новиков Леонтий Александрович — инженер.
Полищук Владимир Анатольевич — старший научный сотрудник.
Karasev Viktor Yurevitch — Doctor of Physics and Mathematics, Professor; e-mail: [email protected]
Pavlov Sergey Ivanovich — post-graduate student; e-mail: [email protected] Dzlieva Elena Soslanovna — Candidate of Physics and Mathematics. Erm,olenko Maksim Anatolievich — Candidate of Physics and Mathematics. Novikov Leontyi Alexandrovich — engineer. Polischuk Vladimir Anatolievich — Senior Researcher.
