Главная >  Природа электромагнитных процессов 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 [ 74 ] 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

Формулы (6) И (8) являются предельными случаями более обшего выражения

(см., например, [10, 28]).

Поскольку соеТеШгТг, магнитнос полс умбньшает коэффициент поперечной диффузии для электронов сильнее, чем для ионов, так что в сильном магнитном поле

L.<:jr (10)

хотя в то же время

. г (И)

5.6.3. Амбиполярная диффузия

Как было показано в разд. 4.4, различие в скоростях диффузии положительных и отрицательных частиц в плазме приводит к разделению зарядов и возникновению электрического поля, которое замедляет быстро диффундирующие частицы и ускоряет медленно диффундирующие до тех пор, пока оба сорта частиц не приобретут одинаковую скорость диффузии. Были приведены формулы для электрических полей и токов, возникающих в результате амбиполярной диффузии. Аналогичное явление наблюдается в замагниченной плазме, однако в этом случае приходится отдельно рассматривать диффузию в различных направлениях. Формулы разд. 4.4 непосредственно применимы для диффузии вдоль магнитного поля. Они пригодны также для поперечной диффузии, если для коэффициентов диффузии и проводимости использовать значения D даваемые формулой (9), и Oj, даваемые формулой (5) разд. 5.3.

5.6.4. Диффузия в плазме средней и низкой плотности, обусловленная иеоднородностями магнитного поля

Столкновения заряженных частиц с иеоднородностями магнитного поля во многом аналогичны соударениям частиц друг с другом. Когда частица проходит через мелкомасштабную неоднородность магнитного поля, ее ведущий центр смещается. Этот вопрос был рассмотрен в разд. 2.2.2, где приведена соответствующая формула для смещения, В разд. 2.2.2 мы рассматривали неоднородности, вытянутые вдоль поля. Практически размеры неоднородности вдоль силовых линий всегда ограничены. Поэтому движение частицы параллельно полю препятствует повторным столкновениям с одной и той же неоднород-



ностью. Если неоднородности распределены в магнитном поле беспорядочно, то в процессе своего движения вдоль силовых линий частица хаотически сталкивается со все новыми неоднород-ностями. Таким образом, отдельные центры вращения совершают своего рода хаотическое движение перпендикулярно магнитному полю, а для группы заряженных частиц это означает диффузию поперек магнитного поля. Если магнитные поля имеют очень сложную конфигурацию, то можно ожидать, что движение центров вращения будет иметь характер трехмерной диффузии.

Диффузия, возникающая в результате взаимодействия с не-однородностями магнитного поля, представляет особый интерес для космической физики, где во многих случаях столкновения между частицами происходят слишком редко, чтобы могла возникнуть диффузия. Например, межпланетное пространство пронизано магнитными полями, которые должны содержать неоднородности, линейные размеры которых малы по сравнению с ларморовскими радиусами заряженных частиц высокой энергии. Поэтому движение таких частиц будет носить характер диффузии. (В этом случае мы пренебрегаем обычными столкновениями.) Такая диффузия в совокупности с механизмами ускорения, рассмотренными в разд. 2.7, позволяет объяснить наблюдаемый спектр импульсов космического излучения.

5.6.5. Аномальная диффузия

Согласно классической теории, коэффициент поперечной диффузии [см, уравнение (9)] быстро уменьшается с увеличением cot, если сот! 1. Это означает, что плазма, помещенная в магнитное поле, медленнее уходит из занимаемого ею объема в связи с уменьшением диффузии поперек силовых линий. Однако обычная диффузия не является единственным механизмом утечки плазмы. Если вследствие разделения зарядов в плазме возникают электрические поля, то как положительные, так и отрицательные частицы приобретают скорость дрейфа (c/fi2)ExB и при определенных условиях могут уйти поперек магнитного поля.

Бом [29] предположил, что в плазме должна происходить диффузия, обусловленная хаотическим дрейфом частиц, связанным с флуктуирующими электрическими полями. Предложенный Бомом коэффициент диффузии меняется обратно пропорционально напряженности магнитного поля В. Спитцер [30] и Тэй-лор [31] указали, что подобного рода механизмы должны проявляться в нетепловой плазме.

Многочисленные эксперименты показали, что при определенных условиях наблюдается еще один тип аномально высокой диффузии [28, 32. 33]. Когда возникает такая диффузия, плазма



5.7. Магнитные свойства плазмы

5.7.1. Термодинамически равновесная плазма

Согласно формуле (11) разд. 2.2, заряженная частица, движущаяся в однородном магнитном поле В и имеющая компоненту скорости, перпендикулярную полю w, обладает магнитным моментом

и направленным противоположно В. Такой же момент имеет каждая отдельная частица в замагниченной плазме при условии, что средняя длина свободного пробега значительно больше ларморовского радиуса р.

Из того факта, что заряженные частицы в плазме обладают собственными магнитными моментами, направленными против магнитного поля, в общем случае нельзя сделать заключения о том, что плазма в целом диамагнитна. Например, из классической теории магнитных свойств металлов хорошо известно, что электроны проводимости в металле не создают результирующего диамагнетизма. Бор [39] объяснил этот факт, приняв во внимание влияние границ металла, которые он рассматривал как идеально отражающие стенки (рис. 5. 5).

Аналогично полностью ионизованная плазма, ограниченная идеально отражающими стенками, вообще не проявляет никаких магнитных свойств. Согласно Бору, движение электронов, отражающихся от стенок, создает ток, магнитный момент которого в точности компенсирует магнитные моменты электронов,

принимает форму спирали. Согласно теории Кадомцева и Недо-спасова [34] и Ленерта и Хоха [35], аномальная диффузия связана с разделением ионной и электронной спиралей. Это приводит к возникновению азимутального электрического поля и радиального дрейфа ЕХВ, вызывающего массовый уход частиц. Экспериментальная сторона вопроса почти не имеет отношения к космической физике, но механизм неустойчивости, привлеченный для объяснения явлений, представляет большой интерес. Винтовая неустойчивость и связанная с ней желобковая неустойчивость [3, 36-38] являются примерами механизмов, посредством которых тонкая плазма может свободно уходить поперек магнитного поля, не вызывая его деформации. Подобные явления могут существенно влиять на поведение плазмы в космических магнитных полях.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 [ 74 ] 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84