Особенности электрогидравлического эффекта. Магнитное поле разряда

Одним из существенных факторов, сопровождающих процесс трансформации энергии, является магнитное поле разряда. Очень слабое за время всей предразрядной стадии, в период стадии

Рис. 1.8. Схема развития во времени процесса нарастания магнитного поля внутри канала разряда (А — каноническое направление тока; В — фактическое направление движения электронов; Р\ и Рг — направление движения отрица­тельных и положительных зарядов под влиянием сил скин-эффекта): /—5 — этапы расширения одной и той же магнитной силовой линии (за время 1\ — <₆); 6, 7 — 2-я, 3-я и последующие магнитные силовые линии, выходящие из канала; 8 — последовательное развитие процессов внутри одного и того же участка канала разряда

за время <,, 1₂, /₃

переднего фронта оно достигает максимума, убывает до нуля в течение стадии заднего фронта и, проходя через нуль несколько раз и изменяя свое направление, исчезает за время стадии последующих полуволн. Определяющее влияние на разряд оно оказывает только на стадиях переднего и заднего фронтов.

На стадии переднего фронта напряженность магнитного поля нарастает, что характеризуется увеличением его плотности в центре канала и ослаблением плотности по мере удаления от него. Естественно, что магнитное поле должно влиять не только на процессы перемещения зарядов, совершающиеся внутри канала разряда, но и на процессы, происходящие в окружающей канал среде (парогазовой оболочке, жидкости или иной среде), в которой осуществляется электрогидравлический эффект.

На рис. 1.8 приведена схема развития во времени процесса нарастания магнитного поля внутри канала разряда, взятая для точки, находящейся в центре канала и расположенной на оси ординат. При этом принято, что электроны в канале движутся вдоль этой оси слева направо. Тогда направление силовых линий магнитного поля будет таким, какое указано стрелками. Нарастаю­щее магнитное поле выталкивает отрицательные заряды, движу­щиеся по каналу вправо (от оси канала на периферию), а положи­тельные, если они есть и движутся при этом влево, стягивает 24

внутрь, к его оси. Таким образом, нарастающее магнитное поле вызовет образование на поверхности разряда тонкой оболочки с высокой плотностью энергии в ней, прямо пропорциональной крутизне нарастания поля. Это явление, известное как скин-эф­фект, изучено для высокочастотных токов, где оно имеет большое практическое значение. Однако импульсы, обеспечивающие осу­ществление электрогидравлического эффекта, по сути дела пред­ставляют собой не что иное, как один полупериод какого-то условно высокочастотного тока с частотой несколько десятков килогерц. Другими словами, известные закономерности, характер­ные для высокочастотных токов, оказываются справедливыми и для данного случая. Отсюда становится очевидным определяю­щее влияние скин-эффекта на все процессы трансформации энергии.

Выталкивая заряды на периферию канала, скин-эффект создает скиновую оболочку канала, чем обеспечивает и облегчает идущую только' через поверхность канала отдачу энергии вовне, непрерывно удаляя ее из центральных областей канала.

Скиновая оболочка канала (с давлениями в ней до 2-10⁴ МПа и выше) определяет за время расширения канала (10"~³—10"²с) передачу давлений окружающей канал жидкости. То, что может «раздвинуть» жидкость, преодолев существующие в ней внутрен­ние давления (составляющие примерно 10³ МПа), должно иметь собственные давления, большие существующих в жидкости, и ски-новая оболочка их имеет. Таким образом обеспечивается высокий механический коэффициент полезного действия трансформации энергии.

На рис. 1.9 приведена схема развития (во времени) процесса нарастания магнитного поля при воздействии его на заряды, движущиеся вне канала (А, В, Р\, Рч те же, что и на рис. 1.8). Подобное нарастание магнитного поля вызывает стягивание к каналу всех отрицательных зарядов и удаление в стороны от канала всех положительных ионов. Это имеет важное практиче­ское значение—способствует процессу самоизоляции разряда и росту его энергии.

Совершенно другая картина будет в том случае, когда магнит­ное поле разряда станет спадать. На рис. 1.10 приведена схема развития (во времени) процесса убывания магнитного поля внутри канала разряда. Из схемы видно, что убывающее магнитное поле стягивает к центру канала все отрицательные и выталкивает на периферию канала все положительные заряды. Это явление, известное как пинч-эффект, будет разрушать скиновую оболочку канала, заменяя ее энергоемкой ионной рубашкой со значительно меньшими давлениями в ней. Таким образом, явление пин'ч-эф-фекта играет в процессе трансформации энергии и увеличении его КПД явно отрицательную роль, поэтому уменьшение. или устранение влияния пинч-эффекта имеет большое практическое значение.

Рис. 1.9. Схема развития процесса нарастания магнитного

поля вне канала разряда:

/ — 5 — этапы расширения одной и той же магнитной силовой линии за время /] — /5; 6 — последовательное развитие процессов вокруг одного и того же участка канала разряда (за время 1_{ — 1$)

Рис. 1.10. Схема развития процесса убывания магнитного

поля внутри канала разряда:

/—5 — этапы сжатия одной и той же магнитной силовой линии

за время /| — /5; б — последовательное развитие процессов внутри

одного и того же участка канала разряда (за время /,—/₃)

Рис. 1.11. Схема развития процесса убывания магнитного

поля вне канала разряда:

/—5 — этапы стягивания одной и той же магнитной силовой линии

за время ^^ — /б); б — последовательное развитие процессов вокруг

одного и того же участк'а канала разряда за время 1\ — 1з

Однако, поскольку длительность стадии заднего фронта значи­тельно больше длительности стадии переднего фронта, а следова­тельно, и крутизна спада поля значительно меньше крутизны его нарастания, то в процессе разряда скин-эффект и его влияние оказываются во много раз сильнее влияния пинч-эффекта, • поскольку значение каждого из них растет прямо пропорциональ­но крутизне нарастания (скин-эффект) или спада (пинч-эффект) интенсивности магнитного поля.

Примером этого является поведение рабочего электрода элект­рогидравлических устройств в случае, когда он выполнен из тон­кой и жесткой волоченой стальной проволоки с большими внутрен­ними напряжениями в ней. Под влиянием скин-эффекта прово­лока электрода разрывается по длине на три-четыре части, а затем действием кавитационных ударов заворачивается назад. Силы пинч-эффекта оказываются не в состоянии сжать разорванные части и предотвратить этим их закручивание. Влияние скин-эффек­та на разряд можно наблюдать и визуально (при длинной искре в закрытом объеме, из которого можно удалить воздух). Наблюде­ния при этом обязательно должны вестись только при небольшом вакууме.

На рис. 1.11 приведена схема развития процесса убывания (спада) магнитного поля вне канала разряда в окружающей канал жидкости. Убывающее магнитное поле вызывает вытеснение движущихся отрицательных зарядов во все стороны от канала раз­ряда и стягивание положительных зарядов к поверхности канала.

Все это несколько улучшает электрическую изоляцию канала разряда, но на этой стадии (заднего фронта) существенного значения не имеет и на процесс трансформации энергии не влияет. На стадии последующих полуволн в случае, если форма им­пульса далека от апериодической и более похожа на колебатель­ную, возможно повторное возникновение достаточно мощного скин-эффекта с сопутствующим ему процессом образования скино-вой оболочки и т. д. Поскольку каждая полуволна тока разряда может образовать одну «вспышку» появления такой высокоэнерге­тической оболочки, то практически с каждой полуволной в канале разряда может появляться, отрываться от его оси и уходить к его периферии (и даже в жидкость) ударная волна. Внешне это выглядит как некоторая периодическая «подпитка» энергии, выделяемой каналом, а следовательно, и «подпитка» ударной волны, образованной расширяющимся каналом в жидкости. Значительный интерес представляет исследование влияния на­растающего или спадающего магнитного поля на заряды различ­ных знаков, двигающиеся в жидкости вдоль электрического поля. На рис. 1.12,а приведена схема такого процесса для нарастающего магнитного поля, когда направление вектора маг­нитного поля совпадает с направлением вектора электрического поля. Видны дополнительный «импульс» тока и ускорение дви­жения заряда. Если же этот «импульс» не совпадает с направле­нием движения заряда, то оно тормозится. На рис. 1.12,6 приве­дена схема процесса для спадающего магнитного поля. В этом случае действие поля на движущиеся в жидкости заряды проти­воположно предыдущему случаю. Таким образом, в зависимости от того, под каким углом будут расположены векторы'магйитного и электрического полей, будет либо тормозиться, либо ускоряться движение заряженных частиц. Определившиеся здесь силы тормо­жения или ускорения зарядов могут оказывать как положитель­ное, так и отрицательное влияние на характер рассматриваемых процессов. Например, дополнительное ускорение, сообщенное электрону при сверхдлинном разряде, оказывает положительное влияние на прорастание стримера и осуществление разряда, но то же дополнительное ускорение, сообщенное электрону в им­пульсном конденсаторе, может вывести его из строя.

В импульсных электромагнитных полях можно наблюдать це­лый ряд явлений, когда различные частицы (коллоидные, орга­нические клетки, бактерии, споры) под действием этих полей «выстраиваются» в длинные цепочки, располагающиеся вдоль силовых линий поля. В частности, именно это явление послужило основой разработанного еще в 1950 г. метода визуального наблю­дения электромагнитных полей [7].

Сущность его сводится к тому, что нейтральные или ионизи­рованные частицы, размещенные в жидкости определенным обра­зом, позволяют визуально наблюдать свечение микроскопических разрядов, возникающих между ними, а также фиксировать для 28

а)

1'

3'

т'

5'

Рис. 1.12. Схема развития процесса расширяющихся (или стягивающихся) маг­нитных силовых линий и действия их на заряды различных знаков, двигаю­щиеся в жидкости поперек магнитного поля вдоль силовых линий электриче­ского подя, для нарастающего (а) и спадающего (б) магнитного поля (а, Ь, с —

отдельные силовые линии; /'—10' — этапы развития процесса во времени): ' — магнитные силовые линии; 2,3 — стягивающаяся силовая линия а; 4 — стягиваю­щаяся силовая линия Ь; 5 — движущийся заряд; 6 — направление силы действия магнит­ного поля на движущийся заряд; 7 — направление движения заряда; 8 — граница сило­вого поля заряда

последующего изучения конфигурацию электрического поля. Достаточно яркое свечение этих разрядов позволяет не только визуально наблюдать их, но и фотографировать. Это достигается регистрацией разрядов на фотопластинке, помещенной в жидкость между электродами.