Über Arbeiten zur Hydromagnetik elektrisch leitender Flüssigkeiten, über Verdichtungsstöße und aus der Hochtemperaturplasmaphysik. Erzeugung von Plasma hoher Temperatur durch magnetische Kompression

91 Pages·1962·3.54 MB·German

by  Wilhelm Fucks

ARBEITSGEMEINSCHAFT FÜR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
:\ATUR-, INGENIEUR- UND GESELLSCHAFTSWISSENSCHAFTEN
112. SITZUNG
AM 10. JANUAR 1962
IN DÜSSELDORF
ARBEITSGEMEINSCHAFT FÜR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
NATUR-, INGENIE UR- UND GE SELLSCHAFTSWI S SEN SCHAFTEN
HEFT 112
WILHELM FUCKS
Über Arbeiten zur Hydromagnetik elektrisch
leitender Flüssigkeiten, über Verdichtungsstäße und aus
der Hochtemperaturplasmaphysik
HERMANN L.JORDAN
Erzeugung von Plasma ho her Temperatur
durch magnetische Kompression
HERAU SGEGEBEN
IM AUFTRAGE DES MINISTERPRASIDENTEN Dr. FRANZ MEYERS
VON STAATS SEKRETAR PROFESSOR Dr. h. c. Dr. E. h. LEO BRANDT
WILHELM FUCKS
Über Arbeiten zur Hydromagnetik elektrisch
leitender Flüssigkeiten, über Verdichtungsstäße und aus
der Hochtemperaturplasmaphysik
HERMANN L. JORDAN
Erzeugung von Plasma hoher Temperatur
durch magnetische Kompression
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-03134-5 ISBN 978-3-663-04323-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04323-2
© 1962 Springer Fachrnedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, KaHn und Opladen 1962
INHALT
IFilhelm Pucks, Aachen
Über Arbeiten zur Hydromagnetik elektrisch leitender Flüssigkeiten,
über Verdichtungsstöße und aus der Hochtemperaturplasmaphysik .. 7
Hermann L. Jordan, Jülich
Erzeugung von Plasma hoher Temperatur
durch magnetische Kompression ............................. 43
Diskussionsbeiträge
Dr. phil., Dr.-Ing. E.h. Karl Stei/nel, Dr. rer. nato Hermann L.Jordan,
Staatssekretär Professor Dr. h.c., Dr.-Ing. E.h. Leo Brandt, Dr. rer.
techno habil. Alfred Boettcher, Professor Dr.-Ing. August Wilhelm
Quick, Professor Dr.-Ing. Wilhelm Pucks, Dr.-Ing. Bugen Knoernschild,
Professor Dr. phil. Günther O. Schenck .......................... 71
Über Arbeiten zur Hydromagnetik elektrisch
leitender Flüssigkeiten, über Verdichtungsstöße und aus
der Hochtemperaturplasmaphysik
Von Wilhelln Fucks, Aachen
Einleitung
Im folgenden soll über eine Reihe von Arbeiten berichtetwerden,·die im
Physikalischen Institut der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hoch
schule Aachen und im Institut für Plasmaphysik der Kernforschungsanlage
Jülich durchgeführt worden sind.
1. Nieder- und Hochtemperaturplasmen
Unter Plasma ist hier ein elektrisch leitender und in nicht zu klein gewähl
ten räumlichen Bereichen elektrisch neutraler Stoff verstanden. Wir unter
scheiden zwischen Nieder- und Hochtemperaturplasma. Danach sind als
Plasma anzusprechen auch ein Metall, also etwa ein Stück Aluminium oder
eine Menge Quecksilber, insbesondere natürlich die positive Säule einer
Glimmentladung und gewisse Bereiche einer Bogenentladung, für welch
letztere Objekte ursprünglich die Bezeichnung Plasma eingeführt worden ist.
In den letzten Jahren ist die Untersuchung von Hochtemperaturplasmen
in den Vordergrund getreten, vor allem im Hinblick auf die hier sich er
gebende Erwartung der Energiegewinnung durch die kontrollierte ther
mische Wasserstoff-Fusion. Ein typisches Beispiel eines Hochtemperatur
plasmas ist etwa die Materie im Innern der Sonne, d. h. Wasserstoff im
Temperaturbereich von größenordnungsmäßig 10 Millionen °K. Auch diese
Materie ist in nicht zu kleinen Bereichen elektrisch neutral; sie hat bei der
angegebenen Temperatur die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer.
Man hat beim Hochtemperaturplasma vom vierten Aggregatzustand
gesprochen. Die Bezeichnung wird verständlich an Hand von Abbildung 1,
die sich auf das Beispiel von Aluminium bezieht. Von der Normaltempera
tur bis zu 931 °K ist Aluminium fest, bis zu 25000K flüssig und bei Normal
druck bis zu 7.104° K gasförmig. Bei fortgesetzter Energiezufuhr werden
8 Wilhelm Fucks
T[OK)
1011 ukelgas
1010 - - - - - -1----1-- - ------
109 Vollionisiertes
Ionisierung Plasma
108 der K-Schale
======:t-------
~':':-:"::"-3;~ 1:
107 Ionisierung
___ ----t------fl der L-Schale Teilionisiertes
106 Ionisierung Plasma
lOS der M-SchaJe
:--:-::-:-:-:-.I -~~~I_~:-:-:-: --:-:_-.:-_- -_
104 ~>~ ~::~~mig
103
102
fest
Abb. 1: Aggregatzustände des Aluminiums
nacheinander die Elektronen der M-, der L- und schließlich der K-Schale
von den Kernen abgetrennt. \XTir erhalten also zunächst ein teiIionisiertes
Plasma. Bei Temperaturen von 5.107 bis zu 10100K wäre Aluminium voll
ionisiert. Wir würden eine Mischung von Aluminiumionen mit je 13 positi
ven Elementarladungen und einem Elektronengas vor uns haben.
\Vürde man diesem Gas noch mehr Energie zuführen, so würde die Um
wandlung der Kerne in kleinere Bestandteile vor sich gehen, und man hätte
schließlich mit so etwas wie einem fünften Aggregatzustand zu rechnen,
bei dem der Stoff aus Protonen, Neutronen, Mesonen und Elektronen be
stehen würde.
Als erste der hier zu besprechenden Arbeiten soll im folgenden Abschnitt
die Theorie eines speziellen Problems der Hydromagnetik elektrisch leiten
der Flüssigkeiten, d. h. in unserer Terminologie um ein Problem aus dem
Bereich der Niedertemperaturplasmen mit der zusätzlichen Bedingung der
Inkompressibilität, besprochen werden.
2. Hydromagnetische Theorie der Lagerreibttng
Von einer Reihe von hydromagnetischen Arbeiten, die zur Zeit im
Physikalischen Institut der Aachener Hochschule durchgeführt werden, ist
Arbeiten zur Hydromagnetik und Hochtemperaturplasmaphysik 9
als erste die Theorie der hydromagnetischen zylindrischen Rohrströmung
erschienen [1]. Hier soll ein Bericht über die hydromagnetische Theorie der
Lagerreibung gegeben werden [2].
Nachdem von Pctroff [3] die Lagerreibung erstmalig als ein hydrodynami
sches Problem behandelt worden war, wurde von SOfJJtJJcrjcld [3] eine ge
schlossene Theorie dieses Problems gegeben.
y _.-/
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V--~~..7" - J _ --- y=~ - -- - --
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y=z
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~--------------------------------~ z
Abb. 2: Ähnlichkeitsverhalten der hydrodynamischen Schmicrmittcltheoric,
Zusammenhang der Kennzahlen y = PMd und z = 27trP21d) U/d
Nach Sommerfelds Theorie muß der Zapfen im Lager exzentrisch laufen.
Die Auslenkung aus der zentrischen Lage geschieht senkrecht zu der Kraft,
die am Zapfen angreift. Zusammengefaßt werden die Sommerfeldschen Er
gebnisse in einer Ähnlichkeitstheorie (vgl. Abb. 2). Hierin bedeuten:
M
y = - (1 )
Pd
27t r21) U/d
z = ------ (2)
Pd
10 Wilhelm Pucks
Dabei wurden folgende Bezeichnungen gewählt:
M = Drehmoment
P = Belastung des Zapfens pro Längeneinheit
d = r' - r = Abstand des Zapfens vom Lager bei zentrischer Lage
r' = Lagerradius
r = Zapfenradius
U = Umfangsgeschwindigkeit
1) = Zähigkeit des Schmiermittels
Die ausgezogene Linie liefert den funktionalen Zusammenhang zwischen
y und z als Ergebnis der Theorie. Die Erfahrung bestätigt diesen Verlauf in
der Nähe des Minimums quantitativ, für große und kleine z-Werte treten
Abweichungen auf. Zum Grenzfall y = z, d. h. zu großem z, gehört die
Exzentrizität Null, die somit nur bei unendlich großer Umfangsgeschwindig
keit erreicht werden könnte. ~Tie sich gleich zeigen wird, ist dieser Fall
jedoch nicht mehr in der Theorie eingeschlossen, weil bei zu großer Ge
schwindigkeit das konvektive Beschleunigungsglied in der Navier-Stokes
sehen Gleichung nicht mehr vernachlässigt werden kann.
Der Fall y = 1, d. h. kleines z, gehört zur trockenen Reibung mit dem
speziellen Reibungswinkel oc =, arcsin dir. Hier zeigt das Schmiermittel ein
nicht-zähes Verhalten.
Unsere Aufgabe ist es nun, zu untersuchen, wie sich die hydrodynamische
Lagerreibungstheorie modifiziert, wenn als Lagerflüssigkeit eine elektrisch
leitende Flüssigkeit gewählt wird, und wenn der Vorgang in einem magneti
schen Feld stattfindet.
Es sollen hier zuerst kurz das Gleichungssystem skizziert werden, von
dem wir auszugehen haben, sowie die vereinfachenden Annahmen, unter
denen die Lösung gelten soll, sodann die Ergebnisse, die sich im hydro
magnetischen Fall zum Unterschied vom hydrodynamischen Fall ergeben
haben, und schließlich gewisse praktische Anwendungen für ein hydro
magnetisches Lager.
Unser Gleichungssystem muß die hydrodynamischen und elektrodynami
schen Grundgleichungen umfassen. Wir haben also zu schreiben:
p (o~t + (u grad) u) = - grad p + 1) dU + [j X !B] (3)
divu = 0 (4)
+(1-)
rotS) = j ot div 1) = 0 (5)
~