19205

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ

Лекция

Физика

Лекция № 1. Плазма – коллективное состояние заряженных частиц ионизованного газа. Пространственные и временные масштабы разделения зарядов в плазме. Идеальная и неидеальная вырожденная плазма. Холодная газоразрядная горячая и релятивистская плазма. I. ОСНОВНЫ...

Русский

2013-07-11

254 KB

39 чел.

Лекция № 1.

Плазма – коллективное состояние заряженных частиц ионизованного газа. Пространственные и временные масштабы разделения зарядов в плазме. Идеальная и неидеальная, вырожденная плазма. Холодная (газоразрядная), горячая и релятивистская  плазма.

I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ

В литературе можно встретить различные определения плазмы. Например, «плазма – основное состояние материи Вселенной». Верно это? Да, так как более 99% известных видов материи Вселенной находится в состоянии плазмы. «Плазма – четвертое состояние вещества». Тоже верно, так как плазмы обладает некоторыми свойствами, сильно отличающимися от тех, которыми обладает твердое, жидкое, или газообразное состояние. Например, проводимость термоядерной плазмы (плазмы в термоядерном реакторе) в 20 раз превышает проводимость меди, то есть такую плазму можно считать идеальным проводником. Но оба эти определения настолько общие, что не раскрывают  понятия плазмы как явления. В некоторых книгах можно встретить определение: «плазма – это ионизованный газ». Конечно, это более конкретное определение, по крайней мере, указано отличие от газообразного состояния, но и это определение недостаточно, так как требуется количественный критерий. Действительно, в любом газе в атмосфере Земли есть некоторое количество заряженных частиц, возникших за счет ионизации космическим излучением, но этот газ нельзя назвать плазмой. Да и сама плазма может быть ионизована в очень широком диапазоне. Например, степень ионизации (плотность заряженных частиц по отношению к плотности всех частиц) плазмы тлеющего разряда может быть в диапазоне от 10-6 до 10-3, плазмы дугового разряда - от 10-3 до 10-1, термоядерной плазмы – 10-1 до 1. Поэтому невозможно дать количественный критерий для определения плазмы только по степени ионизации. Термин “плазма” появился в науке начиная с 1923 года после работ американского физика Ленгмюра, исследовавшего различные виды электрических разрядов в газе. Ленгмюр определил плазму, как «ионизованный газ, обладающий свойством квазинейтральности». Квазинейтральность означает примерное равенство суммарного заряда противоположно заряженных частиц, то есть в случае однократной ионизации, примерное равенство количества ионов и электронов. «Примерное» означает, что отличие зарядов много меньше самих зарядов: , где - заряд электрона по модулю, - заряд иона i-го сорта. Но в приведенном выше примере заряженных частиц в атмосфере Земли квазинейтральность выполняется, но это не плазма. Поэтому Ленгмюру впоследствии пришлось уточнить  понятие квазинейтральности количественными критериями, но для этого ему пришлось ввести понятия радиуса Дебая и плазменной частоты.

§1. 1. Дебаевский радиус и плазменная частота.

Рассмотрим нарушение нейтральности в ионизованном газе, когда электроны «ушли» от ионов на некоторое расстояние  (рис. 1.1). Расходящиеся на расстояние x заряды создают электрическое поле, которое можно определить из одномерного уравнения Пауссона: , так что Е=4nex, где n - концентрация плазмы (концентрация электронов и ионов ). Для разделения зарядов требуется совершение работы, которая может производиться только за счет кинетической энергии самих заряженных частиц. Максимальное расстояние, на которое могут разойтись заряды, и было названо дебаевским радиусом по имени немецкого физика Дебая, который впервые его ввел, исследуя явление электролиза. Обозначим это расстояние за , тогда, приравняв работу по разделению заряда на расстояние : к кинетической энергии теплового движения частицы, которая для одномерного движения равна , где -постоянная Больцмана, получим:

 - радиус Дебая.     (1.1)

При выводе данного соотношения предполагалось, что температура электронов много больше температуры ионов, так что . Как правило, это выполняется, так как за счет своей малой массы электроны более подвижны, и нагрев происходит в первую очередь электронной компоненты. Соотношение (1.1) записано в «СГС» системе, в системе «СИ» в правой части уравнения Пуассона появится множитель , где  Кл/(В∙м) – диэлектрическая проницаемость вакуума, поэтому для определения численного коэффициента учтем этот множитель:

.   (1.2)

В последнем выражении значение температуры нужно подставлять в энергетических единицах – электрон вольтах. Один электрон вольт равен энергии, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов, равной 1 вольт, казалось бы это малая величина, однако в газе такой энергией обладает огромное количество электронов, поэтому  1 эВ соответствует температуре  примерно 11600 К.

Полагая, что ионы покоятся, рассмотрим движение электрона в электрическом  поле Е. Уравнение движения электрона   где  - масса электрона, совпадает с уравнением движения для одномерного осциллятора, то есть электрон будет совершать колебания с частотой, которая получила название плазменной или электронной ленгмюровской частоты:

 .     (1.3)

Такие колебания электронов называются  плазменными (или ленгмюровскими), их частота не зависит от температуры и определяется только плотностью плазмы. Таким образом, коллективные свойства плазмы выражаются в том, что , во-первых, в коллективном электрическом поле отдельные частицы не могут отклоняться от равновесного положения на расстояние больше, чем дебаевский радиус, во вторых, если нет столкновений, то ленгмюровские колебания могут происходить бесконечно.

Каждая заряженная частица в плазме взаимодействует с другими заряженными частицами. Распределение потенциала  электростатического поля описывается уравнением Пуассона: . Плотность заряда для однократно ионизованной плазмы можно записать с учетом того, что плотность заряженных частиц распределена по закону Больцмана, тогда ограничиваясь линейным приближением, т.е. считая |e|Te,i:

    . Подставляя это выражение в уравнение Пуассона (в сферической системе координат), получим:

,                (1.4)

где - дебаевский радиус для . Решение уравнения (1.4) имеет следующий вид: , где q - заряд частицы, для положительно заряженного иона  q=e, для электрона q=-e. Потенциал экспоненциально спадает на расстоянии , то есть, дебаевский радиус – это еще и характерное расстояние, на которое распространяется поле одной частицы, так как оно экранируется зарядами частиц, окружающих данную. Позже будет показано, что дебаевский радиус – это еще и характерный размер распространения электрического поля от электрода, помещенного в плазму, а также характерный размер «пристеночной области», которой плазма отделяет себя от «стенки», граничащей с плазмой, а так же характерное расстояние на которое проникает в плазму падающая на нее электромагнитная волна. Во всех случаях это характерный размер области нарушения квазинейтральности.

§1. 2. Критерии квазинейтральности плазмы.

Согласно изложенному выше, пространственный критерий квазинейтральности плазмы имеет вид:

     ,       (1.5)

где - характерный размер плазмы. Можно сформулировать и временной критерий квазинейтральности плазмы, который означает, что характерное время плазменных колебаний должно быть много меньше характерного времени рассматриваемого в плазме процесса:

     .        (1.6)

Можно показать, что временной критерий вытекает из пространственного. Действительно, если учесть, что тепловая скорость электрона , а радиус Дебая может быть связан с плазменной частотой соотношением: , то из (1.5) равносильно (1.6), если принять, что . Таким образом, соотношение (1.5) является критерием плазменного состояния.

§1. 3. Классификация видов плазмы.

Плазма называется идеальной, если средняя кинетическая энергия заряженной частицы  много больше средней энергии взаимодействия частиц :

(критерий идеальности плазмы).    (1.7)

Если для характеристики плазмы ввести величину, равную количеству частиц в дебаевской сфере:

      (числа Дебая),    (1.8)

то соотношение (1.7) можно переписать в виде: , то есть количество частиц в дебаевской сфере для идеальности плазмы должно быть велико. Таким образом, чем выше температура и ниже плотность, тем плазма «идеальнее». При росте плотности и снижении температуры плазма переходит от идеальной к неидеальной, когда нарушается соотношение (1.7).  В таблице 1.1 приведены характерные величины  и    для плазмы в различных состояниях. Как видно из таблицы все перечисленные виды плазмы удовлетворяют условиям идеальности. Если прологарифмировать соотношение (1.8) то на графике можно провести прямую , отделяющую область идеальной плазмы и неидеальной (рис.1.2).  При дальнейшем повышении плотности неидеальная плазма «металилизируется», переходя в плазму металлов. При еще больших плотностях длина волны де Бройля  (- постоянная Планка) становится сравнимой с расстоянием между электронами , при  плазма становится квантовой вырожденной. При этом классическая статистика Максвелла-Больцмана заменяется на статистику Ферми-Дирака, в которой роль тепловой энергии играет энергия Ферми . При росте плотности энергия Ферми возрастает и при выполнении условия плазма вновь становится идеальной, но квантовой. Из такой плазмы звезды, называемые «белыми карликами», их плотность порядка 1029 см-3. Пульсары имеют еще более высокую плотность, порядка 1031 см-3.

 Низкотемпературной (холодной или газообразной) плазмой называют плазму, у которой средняя энергия электронов меньше потенциала ионизации атомов газа (T < 10 эВ). Горячая плазма – это плазма, температура которой более 100 эВ. Плазма, температура которой более 10 кэВ, называется релятивистской.

Таблица 1.1.

Межгалактическая плазма

Ионосфера Земли

Плазма газового разряда

Термоядерная плазма

Солнце

n [см-3]

102÷103

103÷106

1010÷1018

1012÷1020

1025

T [K]

102÷103

102÷104

103÷105

106÷108

107

rd [см]

10

1

10-4

10-6

10-10

Nd

104

105

500

105

500

Рис. 1.1. Схема разделения зарядов

105

1010

05

1010

n, см-3

1025

1020

1015

Т, К

Межпланетная

плазма

Ионосфера Земли

Солнечный ветер

Солнечная корона

Термоядерная

плазма

Релятивистская  плазма

Nd = 1

Квантовая вырожденная

плазма

Неидеальная плазма

 = 1

Плазма металлов

Газовый разряд

Рис. 1.2. Области различных видов плазмы


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81362. Особливості здійснення виконавчих дій відносно іноземних громадян, осіб без громадянства і іноземних організацій 21.8 KB
  Під час виконання рішень щодо іноземців осіб без громадянства та іноземних юридичних осіб які відповідно проживають перебувають чи зареєстровані на території України або мають на території України власне майно яким володіють самостійно або разом з іншими особами застосовуються положення цього Закону...
81363. Визнання та виконання рішень іноземних судів і арбітражі 23.62 KB
  Закону порядок виконання в Україні рішень іноземних судів і арбітражів встановлюється відповідними міжнародними договорами України цим Законом та іншими законами України. Клопотання про визнання і виконання рішення іноземного суду розглядається компетентним судом і після винесення ухвали про визнання та прийняття до виконання рішення іноземного суду на території України виписується виконавчий лист що і є основою для провадження виконавчих дій. Основою для виконання рішення іноземного арбітражу є наказ господарського суду та ухвала...
81364. Відповідальність за невиконання рішення, що зобов’язує боржника виконати певні дії, та рішення про поновлення на роботі 22.33 KB
  89 Закону у разі невиконання без поважних причин у встановлений державним виконавцем строк рішення що зобовязує боржника виконати певні дії та рішення про поновлення на роботі державний виконавець виносить постанову про накладення штрафу на боржника фізичну особу від десяти до двадцяти неоподатковуваних мінімумів доходів громадян; на посадових осіб від двадцяти до сорока неоподатковуваних мінімумів доходів громадян; на боржника юридичну особу від сорока до шістдесяти неоподатковуваних мінімумів доходів громадян та встановлює новий...
81365. Звільнення майна боржника з-під арешту, зняття арешту 27.57 KB
  Особа яка вважає що майно на яке накладено арешт належить їй а не боржникові може звернутися до суду з позовом про визнання права на майно і про звільнення майна зпід арешту. У разі прийняття судом рішення про звільнення майна зпід арешту або сплати боржником повної суми боргу за виконавчим документом до реалізації арештованого майна боржника майно звільняється зпід арешту за постановою державного виконавця яка затверджується начальником відповідного органу державної виконавчої служби додаток 40 не пізніше наступного дня коли...
81366. Поняття виконавчого провадження та його місце в системі права України 24.12 KB
  Виконавче провадження це врегульовані законодавством України суспільні відносини що виникають і реалізуються в процесі примусового виконання між органами державної виконавчої служби і посадовими особами які здійснюють примусову реалізацію рішень ухвал постанов судових і несудових органів з одного боку та між особами котрі беруть участь у виконавчому провадженні і залучаються до проведення виконавчих дій з другого боку на підставах у спосіб та в межах встановлених законом. Закону України Про виконавче провадження визначає...
81367. Принципи виконавчого провадження : поняття, зміст та значення 30.61 KB
  Принципи виконавчого провадження це закріплені у правових нормах основні засади керівні положення які визначають організацію органів державної виконавчої служби зміст і спрямованість її діяльності правовий статус учасників виконавчого провадження. На підставі теоретичних положень аналізу чинного законодавства та практики його застосування можна виокремити такі принципи виконавчого провадження: принцип гуманізма полягає у тому що заборонено у будьякій формі посягати на права і свободи фізичних осіб які беруть участь у виконавчому...
81368. Поняття, сутність та елементи правовідносин у виконавчому провадженні 28.23 KB
  Правовідносини у виконавчому провадженні виникають між державним виконавцем з одного боку та іншими субєктами виконавчого провадження стягувачем боржником з іншого. До ознак правовідносин що виникають у виконавчому провадженні слід віднести такі: вони виникають при примусовому виконанні рішень судів та інших юрисдикційних органів та регламентовані законодавством про виконавче провадження; без волі стягувана фізичної або юридичної особи державний виконавець не має права відкривати виконавче провадження. У випадку звернення...
81369. Суб’єкти виконавчого провадження та їх класифікація 25.45 KB
  Субєкти виконавчого провадження субєкти виконавчих правовідносин учасники виконавчого провадження це носії процесуальних прав та обовязків у виконавчому провадженні. Закону учасниками виконавчого провадження є державний виконавець сторони представники сторін прокурор експерти спеціалісти перекладачі субєкти оціночної діяльності субєкти господарювання. Прокурор бере участь у виконавчому провадженні у випадку здійснення представництва інтересів громадянина або держави в суді та відкриття виконавчого провадження на підставі...
81370. Органи і посадові особи Державної виконавчої служби, їх правове становище та повноваження 24.9 KB
  Органами державної виконавчої служби є: Департамент державної виконавчої служби Міністерства юстиції України до складу якого входить відділ примусового виконання рішень; управління державної виконавчої служби Головного управління юстиції Міністерства юстиції України в Автономній Республіці Крим головних управлінь юстиції в областях містах Києві та Севастополі до складу яких входять відділи примусового виконання рішень; районні районні у містах міські міст обласного значення міськрайонні відділи державної виконавчої служби відповідних...