JEVY V PLAZMATU

separator

Na této stránce naleznete:
item     Pinčování
item     Oscilace a vlny
item     Drifty
item     Síla grad B
item     Nestability
Chapter 4

separator


Pinčování

Nejtypičtější plazmatickou konfigurací jsou vlákna protékaná elektrickým proudem (pinče). Najdeme je v kanálech blesků, v protuberancích na Slunci i ve vzdálených mlhovinách a v jádrech galaxií. Tak jako jsou pro gravitační interakci charakteristické sférické struktury (hvězdy, globule, planety) tak jsou pro plazma charakteristické struktury válcové. Protékající proud generuje magnetické pole, které obtáčí pinč. Toto pole pinč stlačuje gradientem tzv. magnetického tlaku pm = B2/2μ a proti němu působí gradient tlaku látky a záření (ve hvězdách proti gradientu tlaku záření a látky působí gravitace). Přítomnost vláknitých struktur ve vesmíru tak zpravidla znamená přítomnost ionizované látky a magnetických polí.

Pinch

Vlákno protékané proudem – pinč

Pinč v pozemských laboratořích:


Střední evropské aparatury (1 MA, 3×5 μs)

  • Universita Ferrara (Itálie)
  • IPPLM Varšava (Polsko)

Velké evropské aparatury (1 MA, 200×400 ns)

  • Imperial College London (Anglie)
  • Ecole Polytechnique Paris (Francie)
  • Universität Düsseldorf (Německo)

Největší aparatury

  • Troitsk (3 MA, 10 ns)
  • S-300 (3,5 MA, 150 ns), Ruské věd. centrum Kurčatov, Moskva
  • Saturn (10 MA, 20 ns), Sandia National Laboratories, USA
  • Jupiter (20 MA, 100 ns), Sandia National Laboratories, USA

Saturn

Saturn

separator


Oscilace a vlny

Plazmatem se může velké množství nejrůznějších vln a oscilací. Bohatství těchto jevů je dáno reakcí plazmatu na elektrická a magnetická pole. O to jsou normální plyny ochuzeny a vlny šířící se plyny a kapalinami jsou jen zchudlými příbuznými desítek modů vlnění šířícího se plazmatem. Zhruba lze vlny rozdělit do dvou oblastí:

  • Vlny nízkých frekvencí: Jedná se o vlny s frekvencí blízkou plazmové frekvenci iontů ωpi = (ne2/miε0)1/2. Tato frekvence představuje přirozenou frekvenci oscilací iontů. Vlny s podobnými frekvencemi nazýváme magnetoakustické vlny. Jde o analogii zvukových vln v normální látce, tentokrát ovlivněných přítomností magnetických polí. Zvuk se již šíří anizotropně a v několika vlnoplochách.
  • Vlny vysokých frekvencí: Jedná se o vlny s frekvencí blízkou plazmové frekvenci elektronů ωpe = (ne2/meε0)1/2. Tato frekvence představuje přirozenou frekvenci oscilací elektronů. Jde o velké množství typů elektromagnetických vln šířících se plazmatem.

Některé mody vln:


Nízkofrekvenční:

  • AW vlna – Alfvénova vlna
  • S vlna – pomalá magnetoakustická vlna
  • F vlna – rychlá magnetoakustická vlna 

Vysokofrekvenční:

  • O vlna – řádná vlna
  • X vlna – mimořádná vlna
  • R vlna – pravotočivá vlna
  • L vlna – levotočivá vlna
  • hvizdy
  • dolní hybridní oscilace
  • horní hybridní oscilace

separator


Drifty

Typickým pohybem nabitých částic jsou kružnice nebo šroubovice kolem silokřivek magnetického pole. Tomuto pohybu se říká Larmorova rotace (gyrace, cyklotronní pohyb). Frekvence pohybu se nazývá cyklotronní frekvence (ω = QB/m) a poloměr oběhu Larmorův poloměr (RL = mv/QB). Je-li v plazmatu přítomno další pole (například elektrické), které se málo mění v čase a prostoru ve srovnání s periodou a poloměrem Larmorovy rotace, dochází k driftům. Jde o odvalování nabitých částic kolmo na elektrické (nebo jiné) a magnetické pole po křivkách, které nazýváme trochoidy (speciálním příkladem je cykloida). Rychlost odvalování (driftu) je vD = F×B/QB2. Pro elektrické pole F = QE je velikost této rychlosti vD = E/B. Je velmi známým faktem, že podíl elektrického a magnetického pole je typickou rychlostí v daném systému. V elektromagnetické vlně je například E/B = c. V plazmatu jde o typickou rychlost odvalování částic.

Drift

Nejznámější drifty:


  • E×B drift (napříč elektrickému a magnetickému poli, elektrická síla)
  • Gravitační drift (napříč gravitačnímu a magnetickému poli, gravitační síla)
  • Grad B drift (způsobený změnou hustoty silokřivek magnetického pole, sílou grad B)
  • Drift zakřivení (způsobený zakřivením silokřivek magnetického pole, odstředivá síla)
  • Polarizační drift (způsobený pomalou změnou elektrického pole s časem, indukovaná síla)

Dipól

Magnetický dipól.

Částice v magnetickém dipólu koná tři pohyby:

  1. Larmorovu rotaci.
  2. Pohyb podél silokřivek s odrazy v polárních oblastech. K odrazem dochází v hustších částech magnetického pole vlivem síly grad B (efekt magnetického zrcadla).
  3. Drift napříč silokřivek způsobený odstředivou silou generovanou pohybem 2. Rychlost driftu je kolmá jak na magnetické pole tak na odstředivou sílu.

separator


Síla grad B

Nabité částice jsou vytlačovány z oblastí silnějších magnetických polí silou F = −μ grad B. Tato síla způsobuje například jev magnetických zrcadel, kdy jsou částice odráženy v oblastech s vyšší hustotou magnetických silokřivek do oblastí s nižší hustotou. Působí také na nabité částice rotující podle silokřivek magnetického pole Země, které byly zachyceny ze slunečního větru. V polárních oblastech, kde je pole silnější (silokřivky hustší) se částice odrážejí a putují podél silokřivky zpět. V místech odrazu částice září synchrotronním (brzdným) zářením.

Typické konfigurace magnetických zrcadel:

Zrcadla

Magnetické zrcadlo (nalevo), azimutální zrcadlo (napravo).

separator


Nestability

Plazma je jako pytel blech. V laboratořích nám vždy utíká právě tam kam nechceme. Mohou za to různé druhy nestabilit plazmatu, které se ve vesmíru mohou rozvinout ve velmi zajímavé útvary. O nestabilitách hovoříme tehdy, jestliže vlivem malé události (náhodné fluktuace, poruchy způsobené vnějšími vlivy, atd.) dojde k úplné změně konfigurace plazmatu. Uveďme si jen některé z nich:

Korálková nestabilita: Dojde-li k náhodnému zaškrcení plazmového vlákna protékaného osovým proudem, bude vzniklé magnetické pole toto zaškrcení prohlubovat až dojde k rozpadu vlákna na malé oblasti – korálky. Tato nestabilita je silně potlačena v helikálních pinčích, kde proud i magnetické pole mají obě válcové složky – axiální (osovou) i azimutální (obvodovou) a tvoří ve vlákně spirály.

Nestability v pinči Nestability v pinči

Kink nestabilita: Dojde-li k náhodnému ohybu plazmového vlákna protékaného osovým proudem, bude vzniklé magnetické pole toto prohnutí prohlubovat. I tato nestabilita je částečně potlačena v helikálních pinčích.

Kink nestabilita

Diocotronová nestabilita: Jestliže v pinči dojde z jakýchkoli důvodů k separaci elektrického náboje v radiálním směru, vzniká nenulové radiální elektrické pole, které spolu s axiálním magnetickým polem Bz způsobuje azimutální drift rychlostí vφ. Celý pinč začne rotovat diferenciální rotací (oblasti různě vzdálené od osy rotují různou rychlostí). Na povrchu pinče se stýkají dvě oblasti s různou rychlostí (rotující pinč a okolní prostředí) a může dojít k rozvoji nestability známé z proudění tekutin. Tuto nestabilitu nazýváme diocotronová nestabilita. Typickým způsobem modifikuje povrch pinče do vírových struktur.

Diocotronová nestabilita

Průřez pinčem s rozvinutou diocotronovou nestabilitou

Aurora

Polární záře pozorovaná nad Aljaškou 31. 1. 1973


separator