Номер 5, страница 218 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 59. Термоядерный синтез. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 5, страница 218.

5. Почему при высоких температурах только магнитное поле может удерживать плазму в замкнутом объёме?

Решение

При высоких температурах (порядка миллионов и десятков миллионов градусов), необходимых, например, для осуществления управляемого термоядерного синтеза, вещество находится в состоянии плазмы. Плазма — это полностью или частично ионизированный газ, состоящий из положительно заряженных ионов и свободных электронов.

Основная проблема удержания такой высокотемпературной плазмы заключается в том, что ни один материал не может выдержать контакта с ней. Любые стенки физического контейнера при соприкосновении с плазмой мгновенно расплавятся и испарятся. Кроме того, контакт с холодными стенками приведет к быстрому остыванию самой плазмы и прекращению реакции. Поэтому для удержания плазмы требуется "бесконтактный" метод.

Единственным эффективным методом для этого является использование сильного магнитного поля. Причина этого кроется в фундаментальном свойстве плазмы — она состоит из заряженных частиц. На движущуюся в магнитном поле заряженную частицу действует сила Лоренца, которая определяется выражением:

$\vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B})$

где $q$ — заряд частицы, $\vec{v}$ — её скорость, а $\vec{B}$ — вектор магнитной индукции.

Эта сила всегда направлена перпендикулярно вектору скорости частицы и линиям магнитного поля. В результате сила Лоренца не совершает работы и не изменяет кинетическую энергию частицы, но она искривляет её траекторию. Частицы (ионы и электроны) начинают двигаться по спирали, как бы "навиваясь" на линии магнитной индукции. Таким образом, магнитное поле может служить "невидимыми стенками" для плазмы.

Создавая магнитные поля сложной конфигурации, например, в виде тора (пончика) в установках типа токамак, можно заставить силовые линии замкнуться в ограниченном объеме. Плазма, "привязанная" к этим линиям, оказывается запертой внутри этой "магнитной ловушки" и не контактирует с материальными стенками реактора.

Другие типы полей, такие как гравитационное или электрическое, не подходят для этой цели. Гравитационное поле Земли слишком слабо, чтобы удержать горячую плазму под огромным давлением. Электрическое поле будет не удерживать, а ускорять и разделять заряженные частицы (положительные ионы и отрицательные электроны будут двигаться в противоположные стороны), что приведет к разрушению плазменного шнура.

Ответ: При высоких температурах вещество находится в состоянии плазмы, состоящей из заряженных частиц. Любой материальный контейнер при контакте с такой плазмой будет разрушен. Магнитное поле способно удерживать плазму бесконтактно, так как действующая на заряженные частицы сила Лоренца заставляет их двигаться по спирали вдоль линий поля, не позволяя покинуть заданный объем. Таким образом, создается "магнитная ловушка", изолирующая горячую плазму от стенок реактора.