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我将μ 乘以速率u ,就求得每1安培产生的推力,结果为
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所以我们得到小于 牛顿/安培的推力——这是一个很小的力,很糟糕,很小。要达到1安培并不是一件很难的事,但要达到100安培或1 000安培却是件很费劲的事情,而它仍几乎没有产生什么推力,也难于获得适当数量的离子。
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现在让我们计算消耗多少能量。当电流为1安培时,每秒1库仑的电量通过200 000伏的电势差。为了获得以焦耳为单位的能量,我将电量乘以电压,因为伏特不是别的而是单位电量的能量(焦耳/库仑)。因此消耗掉1×200 000焦耳/秒,相当于200 000瓦:
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我们从200 000瓦中只得到了0.74牛顿的推力,从能量的观点来看,这完全是一个没有用的机器,推力对功率的比仅为3.7×10-6 牛顿/瓦——它是非常非常微小的值:
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所以,虽然离子火箭是一个很美妙的想法,但是为了把这个东西送到任何地方,都要用去极其多的能量!
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3-7 光子推进火箭
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根据排出物体越快就越好的原则,人们又提出了另一种火箭,因此人们就问为什么不喷射光子 呢——它们可是地球上跑得最快的东西啊——向后发射光!你在火箭尾部发射一个闪光,你就得到一个推力!然而,你们可能会想到虽然发射出非常多的光,但并没有获得多大的推力。你们从经验知道,每当你开启一次闪光,你并没有发现自己有摔倒的感觉,即使你打开100瓦的灯泡,并且放上一个聚焦器,你什么也不会感觉到!所以想要获得每瓦很大推力是靠不住的。尽管如此,还是让我试试算出光子火箭的推力与功率的比值。
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向后发射的每个光子都带有一定的动量p 以及一定的能量E ,对光子来说,两者的关系为能量等于动量乘以光速:
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所以对一个光子而言,单位能量的动量等于1/c 。这就意味着不论我们用了多少光子,我们每秒发射出去的动量与每秒发射出去的能量之比是确定的——这个比率是唯一并确定的:它是1除以光的速率。
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但是每秒发射的动量,就是把火箭维持在固定位置所必需的力,而每秒发射出的能量就是产生光子的发动机的功率,所以推力和功率的比率也是1/c (c 为3×108 ),或3.3×10-9 牛顿/瓦。它比铯离子加速器还差一千倍,比化学发动机差100万倍。这些都是火箭设计中的几个要害问题。
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我明确告诉你们,所有这些相当复杂的半新的事物,都是为了便于你们能意识到你们已经 学到了一些东西 ,而且你们现在已经能够懂得世界上正在发生的很多事情。
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3-8 静电质子束致偏器
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现在,为了给你们示范怎样做研究,我准备了下面的问题,其内容如下:在Kellogg实验室[6] 里有一台范德格拉夫起电机,它能产生200万伏的质子。电势差是用静电学的运动皮带方法产生的。质子通过这个势场下落,获得了很大的能量,以束流的形式射出。
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假定由于某些实验方面的要求,我们想要质子在另一个角度上射出来,所以我们需要把它偏转。现在最实用的方法是用磁铁来使它偏转。不过我们也可以设计出用电的方法做到这一点——他们已经研究出了这种方法——那就是我们要讲的事情。
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我们采用一对弯曲的电极,与它们的曲率半径相比,这对电极靠得很近——比如说它们大约相距d =1cm,由绝缘体隔开。电极被弯曲成圆形,在两者之间加上由电源提供的尽可能高的电压,所以在两电极之间就产生了电场,它使质子束沿着圆周径向偏转(见图3-12)。
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图3-12 静电质子束致偏器
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