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

40 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

84986. Безопасность на водоемах 29.17 KB
  Безопасность на водоемах Цель урока. Дать знания учащимся о состоянии водоемов в нашем городе и правила безопасного поведения на водоемах в разное время года. Сформировать убеждение в необходимости знать и соблюдать правила личной безопасности на водоемах. Общие правила безопасности при купании в водоемах.
84987. Криминогенные ситуации и личная безопасность 27.87 KB
  Сформировать убеждение в необходимости соблюдать правила личной безопасности при общении с незнакомыми людьми выработать умение в безопасном поведении в характерных криминогенных ситуациях. Правила личной безопасности в криминогенных ситуациях. Необходимо выработать у учащихся умение отказываться от нежелательного общения для обеспечения личной безопасности. Разобрать основные правила по обеспечению личной безопасности в различных ситуациях возникающих в повседневной жизни.
84988. Обеспечение личной безопасности дома 30.08 KB
  Изучаемые вопросы Общие правила безопасного поведения школьника если он остался дома один. Обсудить с учащимися рекомендации по соблюдению правил безопасного поведения дома если они в доме одни. Не открывайте дверь никому даже если эти люди представились работниками коммунальных услуг милиции или почты. Если вас просят принести попить или позвонить от вас объясните через дверь как дойти до ближайшего магазина и телефонаавтомата.
84989. Обеспечение личной безопасности на улице 30.24 KB
  Обеспечение личной безопасности на улице Цель урока. Познакомить учащихся с общими правилами безопасного поведения в случаях возникновения криминогенных ситуаций на улице. Сформировать убеждение в необходимости совершенствовать свои знания и умения в вопросах безопасного поведения на улице с учетом складывающейся криминогенной обстановки. Изучаемые вопросы Общие рекомендации по безопасному поведению на улице.
84990. О культуре здоровья и безопасности школьника 28.04 KB
  Сформировать у учащихся общее понятие о здоровье и здоровом образе жизни. Обозначить основные составляющие здорового образа жизни; выработать убеждения в том что режим дня является определяющей составляющей здорового образа жизни. Общие понятия о здоровом образе жизни и его составляющих. Режим дня как определяющая составляющая здорового образа жизни.
84991. Двигательная активность и закаливание организма - необходимые 29.51 KB
  Двигательная активность и закаливание организма необходимые условия укрепления здоровья Цель урока. Сформировать убеждение в необходимости систематических занятий физической культурой и закаливанием организма умения дозировать физические нагрузки с учетом индивидуальных особенностей максимально использовать погодные условия в различное время года для занятий на свежем воздухе. Роль закаливания организма в укреплении здоровья. Довести до учащихся что закаливание это повышение устойчивости организма к неблагоприятному воздействию...
84992. Рациональное питание. Гигиена питания 28 KB
  Гигиена питания Цель урока. Познакомить учащихся с понятием рациональное питание основными питательными веществами и их значением в рационе питания человека. Разобрать общепринятые правила питания сформировать убеждение в необходимости соблюдать правила рационального питания в повседневной жизни. Некоторые общепринятые правила рационального питания.
84993. Вредные привычки и их влияние на здоровье человека 29.07 KB
  Вредные привычки и их влияние на здоровье человека Цель урока. Влияние алкоголя на здоровье человека. Эволюция обеспечила организм человека неисчерпаемыми резервами прочности и надежности которые обусловлены избыточностью элементов всех его систем их взаимодополняемостью взаимодействием способностью к адаптации и компенсации. Природа создала человека для долгой и счастливой жизни.
84994. Здоровый образ жизни и профилактика вредных привычек 27.76 KB
  Сформировать убеждение в том что привычка курить и употреблять алкоголь зачастую начинается с первой пробы выработать у них твердую привычку говорить Нет любому кто предложит закурить или попробовать спиртное. Разобрать с учащимися ситуационные задачи: Если вам в кругу сверстников предложат закурить как вы поступите Если у вас в доме гости и вас пригласили к столу и предложили выпить спиртного как вы поступите В заключение предложить четыре правила Нет для профилактики курения и употребления спиртных напитков. Постоянно...