§ 55. МАГНИТНАЯ КУМУЛЯЦИЯ

В 1952 г. была теоретически предсказана возможность генерации сверхсильных магнитных полей (десятки миллионов эрстед) при быстром пластическом обжатии проводящих оболочек, охватывающих магнитный поток. Достаточно быстрое обжатие оболочек предполагалось осуществить с помощью направленного (кумулятивного) взрыва. Впоследствии были сконструированы и практически реализованы специальные взрывомагнитные устройства, в которых сходящаяся взрывная ударная волна производила пластическое сжатие и деформацию проводящего цилиндра или

иного вида массивного контура, охватывающего магнитный поток.

Открытое явление, получившее название магнитной кумуляции и основанное на действии закона электромагнитной индукции Фарадея, может осуществляться и в естественных условиях. Например, сверхсильные магнитные поля пульсаров, по-видимому, возникают в результате взрывоподобного сжатия (коллапса) звезд.

Чтобы понять суть магнитной кумуляции, рассмотрим некоторый деформируемый проводящий контур, имеющий сопротивление и индуктивность Тогда, по закону электромагнитной индукции,

откуда

где эффективное время релаксации контура:

Допустим теперь, что контур сжимается за время Тогда из (55.2) следует, что т. е. магнитный поток связанный с контуром, практически не успевает измениться за время сжатия. Так как

то при сжатии контура, когда уменьшается площадь охватываемой им поверхности должно происходить возрастание индукции магнитного поля:

В качестве проводящего контура возьмем медный цилиндр с начальным радиусом см, толщиной стенок см и некоторой высотой которая не войдет в окончательные расчетные формулы (рис. 55.1). Тогда сопротивление цилиндра вихревым токам, очевидно, равно

Рис. 55.1

если считать, что Оценивая индуктивность по формуле находим

Так как при сжатии металла плотность его почти не меняется, то из постоянства объема цилиндра выводим, что и отношение также неизменно при сжатии цилиндра. В итоге время релаксации оказывается равным

Отсюда видно, что единственный путь для осуществления сжатия медного цилиндра за время, гораздо меньшее вычисленного, — это использование кумулятивного взрыва. Только взрывная волна может обеспечить столь большие скорости пластической деформации металла и создать давление, способное противодействовать магнитному давлению оказываемому на проводящую среду магнитным полем (так, при ).

Магнитная кумуляция представляет собой концентрированное превращение химической энергии взрывчатого вещества в энергию магнитного поля, создаваемого вихревыми токами, протекающими в сжимаемой взрывом проводящей оболочке. Соответствующий энергетический расчет элементарен:

1. Плотность силы, действующей на проводящую среду в магнитном поле, линии индукции которого почти прямолинейны, согласно (54.6) и (54.11), равна

2. Чтобы противодействовать магнитному давлению во взрывной волне должна быть сконцентрирована энергия с плотностью В частности, при Такую энергию можно высвободить при взрыве тринитротолуола.

Практическое применение магнитной кумуляции весьма многообразно:

а) создание компактных магнитно-кумулятивных ускорителей элементарных частиц на энергии свыше миллиарда электрон-вольт (хотя подобный ускоритель может быть использован всего один раз, стоимость получения импульса ускоренных частиц оказывается гораздо меньшей, чем в обычных стационарных ускорителях);

б) получение сверхвысокотемпературной плазмы при сжатии магнитного потока с «вмороженной» в него плазмой магнитно-кумулятивным способом (такая плазма может быть использована для осуществления управляемого термоядерного синтеза);

в) использование магнитной кумуляции для передачи сверхвысоких давлений на металлические поверхности и для разгона небольших металлических объектов до космических скоростей, что неосуществимо другими известными методами.