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

32467. Инфраструктура предприятий сервиса. Технические средства предприятий (организаций) социально-культурного сервиса и туризма 31 KB
  Тип гостиничной телефонной станции зависит от количества абонентных точек назначения гостиницы и ее расположения. Для облегчения связи с работниками управления и администрации гостиницы телефонное оборудование может быть укомплектовано телефонной системой. Устройство внутренней связи: важный фактор эффективности работы гостиницы. Телетайпфакс представляет собой систему письменной телекоммуникации обслуживающую как администрацию гостиницы так и клиентов.
32468. Задачи технического и технологического оснащения предприятий 27.5 KB
  Технология совокупность методов обработки изготовления изменения состояния свойств формы сырья материала или полуфабриката применяемых в процессе производства для получения готовой продукции наука о способах воздействия на сырье материалы и полупродукты соответствующими орудиями производства. Развитие науки и техники способствует совершенствованию средств массового производства туристских услуг материальнотехнической базы в гостиничном хозяйстве на транспорте в бюро путешествий.
32469. Модернизация технических средств предприятий СКС и Т 26 KB
  Бурное развитие туристкой индустрии в последнее десятилетие связано в 2мя факторами: развитием гражданской авиации и созданием компьютерных систем бронирования. В свою очередь увеличение числа авиалиний самолетов а так же рост объемов авиаперевозок закономерно привели к необходимости создания и использования компьютерных систем бронированияCRS которые стали основным инструментом для резервирования авиабилетов. Теперь в системах бронирования заложена информация не только о наличие мест но и общая информация о рейсах.
32470. Технология художественных изделий из керамики 498.54 KB
  Обжиг керамических изделий 3й разряд Сформировать знания о процессе обжига керамических изделий его видах и способах. Назначение и суть обжига керамических изделий. Виды и способы обжига. Объясняет назначение обжига керамических изделий виды и способы обжига правила загрузки и выгрузки изделий устройство обжиговых печей.
32471. Формование керамических изделий и его виды 103.77 KB
  Способы формования керамических изделий Исходя из содержания воды в формовочной массе различают следующие основные способы формовки: способ литья содержание воды 25–34; пластический способ воды 16–25 – это свободная лепка формование на гончарном круге ручной оттиск в форме формование по вращающейся гипсовой форме с помощью шаблона или ролика; полусухой способ 7–16 влажности; сухой способ 2–7 влажности. Литье Этот способ широко применяется в производстве художественных керамических изделий что объясняется возможностью...
32472. Ручная роспись керамических изделий, подготовка, инструменты 32.21 KB
  Пером расписывают изделия прошедшие утельный или политой обжиг. Кистью можно наносить на изделия цветные массы ангобы глазурь. Роспись на изделиях можно производить без нанесения предварительного контура и по заранее нанесенному припорохом рисунку. На отводку поступают изделия предварительно оформленные основным декором.
32473. Декорирование изделий в сыром виде 15.92 KB
  Способы нанесения декора на керамический материал Декорирование является важным этапом в общем цикле технологического процесса по изготовлению художественных керамических изделий. Декорирование керамических изделий можно вести как живописным так и скульптурным методом. К живописному относят роспись изделий а также нанесение на них сплошных или частичных декоративных покрытий керамическими красками глазурями ангобами люстрами и эмалями.
32474. Сушка изделий, ее назначение, виды сушки 13.79 KB
  Сушка керамических изделий полуфабрикатов может быть естественной на открытом воздухе под навесами в сараях и т. К недостаткам туннельных сушилок относятся: большое количество вагонеток и необходимость их пополнения подверженность металлических изделий вагонеток коррозии неравномерность сушки изделий по поперечному сечению туннеля вверху температура теплоносителя выше чем внизу и необходимость круглосуточной загрузки и разгрузки вагонеток. Недостатки камерных сушилок: неравномерная сушка изделий изза различной температуры...
32475. Виды обжига керамических изделий 16.73 KB
  Периоды обжига: подъем температуры нагревание наиболее ответственный; выдержка при постоянной температуре; снижение температуры охлаждение. Составляющие режима обжига: скорость нагрева и охлаждения время выдержки при постоянной температуре температура обжига среда обжига окислительная в условиях свободного доступа воздуха; восстановительная в условиях прекращения доступа воздуха и избытка угарного газа; нейтральная. После сушки изделия имеют остаточную влажность около 2–4 и эта влага удаляется в начальный период обжига в...