CC BY
72
раздел ФИЗИКА
УДК 533.9
ББК 22.333
О МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ НИЗКОГО
ДАВЛЕНИЯ
Вальшин А.М., Кильдин С.А., Харрасов М.Х., Шайхитдинов Р.З.*
Известно [1, 2], что при наложении на газовый разряд продольного магнитного поля на легкие диэлектрические тела, помещенные в газоразрядную плазму, действует момент силы. Это явление, названное авторами магнитомеханическим эффектом, проявлялось в повороте легкой пластины, подвешенной внутри вертикально расположенной трубки, либо во вращении падающих микрочастиц размерами 10-100 мкм. Для его объяснения была предложена гипотеза о вращении нейтрального газа разряда в магнитном поле, которое приводит к увлечению диэлектрических тел. Вращение нейтрального газа, как указывается авторами, может быть обусловлено неполной компенсацией передаваемого атомам импульса движущимися заряженными частицами во взаимно перпендикулярных продольном магнитном и радиальном электрическом полях. Однако дальнейшие исследования в этом направлении выявили противоречивость экспериментальных результатов относительно вращения газа. Так, в работах [ 3, 4] сообщалось о непосредственной регистрации вращения нейтрального газа спектроскопическим методом по измерению допплеровского сдвига атомных линий при наложении магнитного поля на положительный столб газового разряда. Измеренные скорости вращения оказались весьма велики - до 150 м/с. Вместе с тем, авторы [5, 6] указывали, что объяснение вращения нейтрального газа представляется затруднительным, поскольку в продольно однородной плазме в отсутствие радиальной компоненты тока объемная плотность магнитной силы равна нулю.
Экспериментальные результаты более поздних работ (например, [ 7-9]) при аналогичных условиях разряда на более совершенной и чувствительной установке не выявили вращения газа. Однако зафиксировано вращение пылевых частиц размерами 10-100 мкм вокруг оси газоразрядной трубки при наложении внешнего магнитного поля. С изменением направления магнитного поля направление вращения меняется. Вращательный момент импульса совпадает по направлению с магнитным полем (В>>М). Наибольшая скорость вращения наблюдается в полях 100-200 Гс. Увеличение поля приводит к торможению вращения. Однако, как указывается авторами, связь этого эффекта с магнитомеханическим неясна, но отмечается возможность действия объемной силы Ампера, придающая газу вращательное движение.
Таким образом, во всех работах эксперименты проводились с целью обнаружения вращения газа, приводящего к возникновению момента сил, действующего на помещенные в плазму легкие диэлектрические
в
Вальшин Алые Мустафович - канн, фнз.-мат. наук, доц. каф. статистической радиофизики и связи БашГУ Кильдин Салават Амирханович - начальник Управления гос. надзора за связью в РФ по РБ Харрасов Мухамет Хадисович - доктор физ.-мат. наук, профессор, ректор БашГУ Шайхетдинов Рамиль Зайниевич - кан. физ.-мат. наук, доц. каф. общей физики
тела. При этом анализ последних работ позволяет делать вывод, что вращение газа со скоростью более 40 см/с отсутствует.
В нашей работе дается объяснение левитации микрочастиц в газовом разряде при наложении магнитного поля в отсутствии вращения газа.
Рис.1. Микрочастица (1) в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Рассмотрим микрочастицу сферической формы радиусом Г0 в плазме газового разряда, помещенного в продольное магнитное поле индукции В (рис.1). Эта отрицательно заряженная пылинка окружена слоем положительного объемного заряда дебаевского радиуса ГР. Под действием радиального электрического поля плазмы напряженностью Ег ионы приобретают дрейфовую скорость Уа по направлению к стенке трубки, что приводит к возникновению в слое
электрического тока плотностью . = е ■ п1 -Уа = е ■ п1 ■ ■ Ег, где и - концентрация и подвижность
ионов. В скрещенных электрическом и магнитном полях этот слой испытывает действие силы Ампера. Тогда в стационарном режиме в случае бесселевского распределения концентрации электронов по радиусу линейная скорость движения микрочастицы
Г .
)
где
к-ц-Я е Ье±+ Ь1±
ц - вязкость газа, Р .± и Ь .± - коэффициенты диффузии и подвижности электронов ( У = е ) и ионов ( У = . ) с учетом магнитного поля, Jg и J1 - функции Бесселя первого рода
нулевого и первого порядков. Рассчитанные по этой формуле значения скорости движения микрочастиц приводятся на рис.2 штриховой линией.
Рис.2. Зависимость линейной скорости движения микрочастицы от радиуса ее траектории для бесселевского распределения пе (г) (штриховая линия) и с уточненным краевым условием [10]. Газ - аргон, ^р=26,3 Па, ,В=0,05 Тл.
Как видно, чем удаленнее от оси трубки располагается траектория их вращения, тем больше скорость движения; причем, при Г ^ К имеем, что V(г) ^ да . Это следует из того, что согласно теории
Г
Шоттки Пе (г) = Пе (0) - J0(2,4 - —) и на стенке пе (К) = 0. Если при расчетах применить более точное
К
краевое условие [10], то скорость вращения микрочастиц у стенок имеет конечное значение, а в зависимости V (г) появляется максимум. Это объясняется конкуренцией двух факторов по мере удаления от оси разрядной трубки - увеличением напряженности радиального электрического поля и уменьшением концентрации заряженных частиц. При этом из-за влияния магнитного поля на радиальные распределения Ег и пе (г)
положение максимума Гтах(г) смещается вдоль радиуса трубки, что согласуется с наблюдаемыми в работе [9]
экспериментальными результатами.
Проведенные в данной работе расчеты показывают, что наложение магнитного поля и увеличение его индукции вызывает рост скорости вращения частиц. Затем, после достижения некоторого максимального значения, происходит ее уменьшение. Отметим, что аналогичная зависимость была экспериментально обнаружена в [9]. Причиной этого является уменьшение, согласно выражению (2), напряженности радиального электрического поля при помещении плазмы в магнитное поле [10] из-за более быстрого спада Ре± по
сравнению с Р.±. При равенстве этих коэффициентов диффузии напряженность Ег = 0, что приводит к
прекращению азимутального вращения частиц. Более того, когда достигается условие Р.± > Ре±,
электрическое поле меняет свой знак на противоположный [11]. В этом случае микрочастица в плазме приобретет положительный заряд и вокруг нее образуется электронный объемный слой. При этом следует ожидать, что микрочастицы начнут вращаться в противоположном направлении со скоростью, отличающейся
от скорости в случае положительного объемного слоя в Те ■ ЪеЪ1 ■ В2 / Т1 раз.
Отметим, что при расчетах в качестве “эффективной области”, на которую действует магнитное поле, считалась лишь часть слоя С (рис.1). В слоях А и В ионы относительно микрочастицы движутся в радиально противоположных направлениях, вследствие чего на слой, в целом, действует вращающий относительно его оси, параллельной оси разрядной трубки, момент сил. Поэтому если микрочастица имеет неправильную форму, то такое ее вращение вокруг собственной оси из-за регулярного изменения толщины объемного слоя должно привести к колебательному движению вдоль радиуса трубки. Такое поведение микрочастиц экспериментально наблюдалось в ряде работ (например, в [9]), объяснение которого для их авторов представляется затруднительным.
Таким образом, предложенный нами механизм магнитомеханического эффекта объясняет все экспериментально обнаруженные в вышеуказанных и других работах, посвященных его изучению, особенности этого явления, включая возникновение вращательного движения плоских структур многоугольной формы вокруг собственной оси и колебательного движения частиц вдоль радиального направления разряда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грановский В.Л., Уразаков Э.И. //ЖЭТФ. I960. Т.36. В.4 С.1354-1355.
2. Уразаков Э.И. //ЖЭТФ. 1963. Т.44. В.1. С.41-44.
3. Захарова В.М., Каган Ю.М., Перель В.И. // Опт. и спектр. 1961. Т.11. В.6. С.777-779.
4. Захарова В.М., Каган Ю.М. // Опт. и спектр. 1965. Т.19. В.6. С.140-141.
5. Захарова В.М., Каган Ю.М. // Спектроскопия газоразрядной плазмы. Л.:Наука, 1970. С.291-318.
6. Грановский В.Л. //Радиотехника и электроника. 1966. Т.11. B.3. С386-387.
7. Карасев В.Ю., Семенов Р.И., Чайка М.П. и др. //Опт. и спектр. 1998. Т.84. №6. С.912-912.
8. Дзлиева Е.С., Карасев В.Ю., Эйхвальд А.И. // Опт. спектр. 2002. Т.92. №6. С.1018-1023.
9. Дзлиева Е.С., Карасев В.Ю., Эйхвальд А.И. // Опт. и спектр. 2004. Т97. №2. С.116-122.
10. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1977. С.450-459.
11. Шайхитдинов Р.З, Шибков В.М. // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика.
Астрономия. 2004. №4. С.46-48
Поступила в редакцию 02.11.05 г.
УДК 539.2 ББК 22.383
СОЛИТОНЫ В ЗИГЗАГООБРАЗНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЦЕПОЧКЕ Закир ьянов Ф.К. Юлмухаметов К.Р.*
Рассмотрена нелинейная динамика зигзагообразных молекулярных цепочек.
Получены солитонные решения типа кинка, которые полностью определяются геометрическим ангармонизмом задачи. Предложено использовать эти решения для описания конформационных переходов в молекулах биополимеров.
Нелинейные коллективные возбуждения солитонного типа широко используются для объяснения различных явлений в кристаллах и других упорядоченных молекулярных системах. Реальная геометрическая структура биомолекулярных и полимерных цепей требует использования двух- и трехмерных моделей, учитывающих ангармонизм системы, обусловленный ее геометрией. В отсутствие подложки молекулярная цепочка будет иметь основное состояние с регулярной устойчивой структурой только при учете наряду с близкодействием взаимодействия дальних соседей [1]. Учет дальнодействия приводит к появлению у цепи вторичной структуры, наличие которой характерно для многих макромолекул (белки, ДНК и т.п.). Геометрически вторичная структура реализуется в форме спирали, частным случаем которой является плоский зигзаг Форму плоского зигзага имеют многие полимерные макромолекулы. Целью данной работы является получение солитонных возбуждений в зигзагообразных молекулярных цепочках, анализ условий их существования и устойчивости.
Рассмотрим плоскую зигзагообразную молекулярную цепь (см. рис.1), при этом расстояние между молекулами постоянное: r0 = const.
Закирьянов Фарит Кабирович - к.ф. - м.н., доцент каф теоретической физики БашГУ Юлмухаметов Константин Раисович - аспирант каф теоретической физики БашГУ
