Рижский динамо-эксперимент
| Механика сплошных сред | ||||||||
| ||||||||
| Сплошная среда | ||||||||
| ||||||||
| См. также: Портал:Физика |
Рижский динамо-эксперимент 11 ноября 1999 года впервые в мире показал механизм формирования магнитного поля, исследовавшийся учёными разных стран с середины ХХ века. Таким образом в Институте физики АН Латвии[1] (сейчас — Институт физики Латвийского Университета, Institute of Physics of University of Latvia) в Саласпилсе была завершена серия работ, направленных на практическое подтверждение гипотезы магнитного динамо (динамо-эффекта). Эта теория объясняет самогенерацию магнитного поля при определённом движении проводящей жидкости, в том числе магнитного поля Земли, возбуждаемого конвекцией металла внутри ядра планеты. Работы были начаты в рамках сотрудничества учёных СССР и ГДР (Центр Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе)[2] в начале 1970-х годов под руководством одного из основоположников магнитной гидродинамики в СССР, доктора технических наук Я.Я.Лиелпетера и завершены под руководством академиков АН Латвии А.К. Гайлитиса и О.А. Лиелаусиса[3].
Теория[править]
Динамо — одна из моделей, претендующая на объяснение магнитного поля планет. Модель представляет собой жидкий шар, с горячим, твёрдым, тепловыделяющим металлическим ядром, которое вращается в восточном направлении[4]. Магнитное поле возникает в результате переноса веществом вмороженных магнитных линий и в результате конвекции.
Модель удовлетворительно описывает многие особенности магнитного поля планет земной группы, в частности, Земли и Марса, а также объясняет отсутствие магнитного поля у Венеры. Для Земли модель предсказывает дрейф и инверсию магнитных полюсов[5].
Теорема Каулинга доказывала, что двумерные или осесимметричные движения проводящей среды не могут вызвать постоянный рост магнитного поля. Эта и другие «антидинамо-теоремы» долгое время сдерживали попытки найти работающий пример самогенерации магнитного поля.
Первой конфигурацией, показывающей возможность генерации магнитного поля при специальном движении проводящей среды, было динамо Пономаренко (1973). После этого было исследовано несколько примеров конфигураций, допускающих такую возможность (в частности, ABC-динамо, динамо Робертса и др.)[6].
Однако в реальных условиях магнитное динамо не было получено до того, как это удалось сделать в Риге 11 ноября 1999 года[6].
Идея Макса Штеенбека[править]
В 1966 году на первой рижской международной конференции по магнитной гидродинамике выступал изобретатель бетатрона, вице-президент Академии наук ГДР Макс Штеенбек. Он и стал вдохновителем Рижского эксперимента[7].
«На конференции он изложил свою теорию о математическом описании появления магнитного поля в небесных телах — например, в ядре Земли или на Солнце. Тогда было известно, что магнитное поле есть у многих звёзд, но не у всех его можно было измерить, — вспоминал организатор эксперимента, академик Агрис Гайлитис. — Штеенбек предложил создать в Латвии лабораторию, чтобы попробовать понаблюдать за появлением магнитного поля. Воссоздать земной шар, конечно, невозможно, но что-то подобное можно попробовать, так и так эксперимент будет достаточно большим, обсуждали учёные. Чтобы воплотить идею Штеенбеека, следовало смоделировать жидкометаллическое ядро Земли так, чтобы в ёмкости с 10 кубометрами расплавленного натрия имелось несколько параллельных струй, поворачивающихся в разных направлениях. Найти финансирование на такой объём эксперимента не удалось, поэтому мы работали над другими решениями, пока велись новые расчёты. Было решено вести опыты только с одной струёй и двумя кубометрами натрия»[7].
Подготовка эксперимента[править]
Динамо Пономаренко[править]
Идея эксперимента с Рижским динамо базируется на простейшей концепции динамо, исследованной Пономаренко в 1973 году[8][9]. Динамо Пономаренко состоит из одного проводящего жесткого стержня, совершающего спиральное движение. Он пришёл к выводу, что осесимметричное движение не может генерировать осесимметричное поле, однако может возбуждать несимметричное поле, имеющее вид поверхностной волны[9].
Люди, изучающие планетарную, звёздную или галактическую динамику, скептически восприняли модель Пономаренко, сочтя ее не соответствующей реальным физическим явлениям. Однако его динамо представляло собой «элементарную ячейку» более сложных динамических процессов, и в этой функции само по себе заслуживало особого внимания. Кроме того, некоторые природные системы описаны моделью Пономаренко адекватно: например, «туманность двойной спирали», обнаруженная недавно в истечении из центра галактики[6]. А.Шукуров и Д.Соколов в статье 1993 года указали, что космические потоки могут работать как динамо-машина Пономаренко[10].
Первая рижская установка[править]
Вскоре после изобретения Пономаренко динамо-машина была дополнительно проанализирована А.Гайлитисом и Я. Фрейбергсом, которые обнаружили удивительно низкое критическое магнитное число Рейнольдса для конвективной неустойчивости 17,7 (с радиусом, принятым в качестве определяющего масштаба длины). Они рассмотрели прямой обратный поток, концентричный внутреннему винтовому потоку, который превращал конвективную неустойчивость в абсолютную. Эти аналитические и математические расчеты позволили Гайлитису в 1986 году предпринять первую экспериментальную попытку получить магнитное поле при центральном винтовом течении со спиральной направляющей потока («винтовой лабиринт») на входе в поток. Добившись значительного усиления внешнего магнитного поля, исследователи остановили эксперимент из-за некоторых конструктивных проблем, приводящих к сильным механическим вибрациям устройства[6].
Создание рабочей модели[править]
«В начале 1990-х годов мы решили вернуться к исследованиям магнитного поля, — вспоминал организатор эксперимента, академик АН Латвии А.Гайлитис. — Помогли связи с немцами — Росcендорфским исследовательским центром под Дрезденом. Появилась возможность реализовать эксперимент вместе, получив финансирование из Германии. Два латвийских мастера 5 лет занимались изготовлением сначала опытной модели для воды, затем рабочего цилиндра высотой 3 метра и диаметром 80 см, а также спроектированный в Дрездене винт для перемешивания расплавленного натрия. Поскольку по размеру и мощности винт соответствовал винту гоночного катера, один из мастеров консультировался о его изготовлении в яхтклубе. Когда немцы в Дрездене его промерили, удивились, как вручную можно было изготовить детали так точно, проектировщики предусматривали изготовление инструментами под контролем компьютера»[7].
Для создания крупномасштабной установки по производству жидкого натрия германские коллеги Г. Вилл, М. Кристен и Х. Хёнель (G. Will, M. Christen, H. Hänel) провели моделирование в Дрезденском техническом университете и Центре им. Гельмгольца, построив рижскую натриевую установку в масштабе 1:2. Требовалось найти конфигурацию лопастей перед и после гребного винта, подходящую для формирования потока, приближённого к желаемым профилям функции Бесселя[6].
В подготовку эксперимента в Латвии были вовлечены 25 человек, его непосредственная подготовка длилась неделю. Наконец 11 ноября 1999 года ёмкость была заправлена натрием, установка включена. Когда она проработала некоторое время, что параллельно фиксировалось компьютером, внезапно выбило пробки и пропало электричество. Пока восстанавливали подачу электроэнергии, натрий затвердел и вмёрз в сальник. При запуске мотора сальник лопнул, и натрий стал сочиться. Установку пришлось остановить. Учёные думали, что всё плохо, но когда начали смотреть измерения, оказалось, что в последние 15 секунд работы установки магнитный эффект был зафиксирован. Это была первая в мире фиксация самовозбуждающегося магнитного поля[7].
В конце 2000 года американский журнал Physics News написал о Рижском динамо-эксперименте как одном из 56 новинок в физике. Аналогичный эксперимент позже был проведен в Карлсруэ. В 2006 году французским учёным удалось провести свой успешный эксперимент[7]. Латвийские учёные планировали объединить усилия с французскими, чтобы на базе Института физики Латвийского университета создать совместный центр магнитогидродинамических исследований «Институт Ампера»[11]. За эту инициативу Агрис Гайлитис был удостоен Ордена Почётного Легиона[7].
Сущность эксперимента[править]
Эксперимент начался с нагрева до 300 °C натрия, который медленно прокачивался через центральный модуль в течение примерно суток, чтобы добиться хорошего электрического контакта между натрием и внутренними стенками из нержавеющей стали. Затем планировалось снизить температуру примерно до 150 °C, поскольку электрическая проводимость и, следовательно, магнитное число Рейнольдса увеличивается с понижением температуры. Во время охлаждения проводились измерения магнитного поля[6].
11 ноября 1999 года в ходе эксперимента с динамо-машиной с жидким натрием в Риге впервые было обнаружено самогенерированное магнитное поле[2].
В общей сложности исследователи провели 8 экспериментальных сессий, изучая зависимость возникающего магнитного поля от температуры металла и скорости вращения[2].
См. также[править]
Примечания[править]
- ↑ Д. Д. Соколов Современное состояние и перспективы лабораторного динамо-эксперимента // Соросовский образовательный журнал. — 2001. — № 4. — С. 111—115.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Dr. Frank Stefani The Riga Dynamo Experiment англ.. Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (2022-09-26).
- ↑ Евгений Марголин Укрощение магнитного поля. Советская молодежь, Nr.112 (1972-06-07).
- ↑ Модель IZMST-1980-2000[недоступная ссылка]
- ↑ Предложено простое объяснение инверсии магнитного поля Земли. Архивировано из первоисточника 13 декабря 2009. Проверено 29 сентября 2009.
- ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 Agris Gailitis, Gunter Gerbeth, Thomas Gundrum, Olgerts Lielausis, Ernests Platacis, Frank Stefani History and results of the Riga dynamo experiments англ. // C. R. Physique. — 2008. — № 9. — С. 721–728. — DOI:10.1016/j.crhy.2008.07.004
- ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 Jana Gavare Latvija Var! Zina, kā darbojas / Латвия может! Знает, как работает латыш.. Dienas Bizness (2008-01-18).
- ↑ Yu.B. Ponomarenko, J. Appl. Mech. Tech. Phys. 14 (1973) 775–779.
- ↑ 9,0 9,1 Пономаренко, Ю.Б. К теории гидромагнитного динамо // Прикладная механика и теоретическая физика (ПМТФ). — 1973. — № 6.
- ↑ A. Shukurov, D.D. Sokoloff. Hydromagnetic dynamo in astrophysical jets, in: Cosmic Dynamo, in: IAU Symposia, vol. 157, Kluwer, Dordrecht, 1993, pp. 367–371.
- ↑ ИА Регнум В Латвии обсуждают создание "Института Ампера". ТВ нет (2006-07-20).
 | Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Руниверсалис» («Руни», руни.рф) под названием «Рижский динамо-эксперимент», расположенная по адресу:
Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC BY-SA. Всем участникам Руниверсалиса предлагается прочитать «Обращение к участникам Руниверсалиса» основателя Циклопедии и «Почему Циклопедия?». |
|---|