19232

ПРОВОДИМОСТЬ ПЛАЗМЫ

Лекция

Физика

Проводимость плазмы Одной из наиболее важных величин характеризующих плазму является проводимость. Для низкотемпературной плазмы типичным случаем является ее многокомпонентность. Поэтому для теоретического рассмотрения наиболее простой является водор...

Русский

2013-07-11

126 KB

29 чел.

Проводимость плазмы

       Одной из наиболее важных величин, характеризующих плазму, является проводимость. Для низкотемпературной плазмы типичным случаем является ее многокомпонентность. Поэтому для теоретического рассмотрения наиболее простой является водородная полностью ионизованная плазма, что возможно при температурах  Т=1-10 кэВ. Потребность в изучении проводимости возникла в 50е годы XX века в период начала работ по управляемому термоядерному синтезу, а также при изучении космической плазмы. Формула для проводимости данной плазмы впервые была получена известным американским теоретиком Лайманом Спитцером. Для вывода формулы считается, что полностью ионизованная водородная плазма помещена во внешнее электрическое поле (рис.1). Величинами, характеризующими направленное движение электронов и ионов, являются их дрейфовые скорости ue и ui . Тогда суммарная плотность токов плазмы запишется в виде:

                       

Электронные скорости в случае высокотемпературной плазмы характеризуются большими значениями, чем ионные, поэтому полагают, что  .

           

                                                                     Рис.1

                                                                                                                     

      В силу кулоновского взаимодействия, траектория электрона в плазме, как классической частицы, представляет плавную кривую (рис.1). Под столкновением электрона и иона понимается случай изменения направления траектории на угол 900. Заметим, что в общем случае учитываются три вида столкновений: электрон-ионные, ион- ионные и электрон–электронные. В самой простой модели столкновений ионы считаются неподвижными и учитываются только электрон-ионные столкновения. Данные столкновения характеризуются длиной столкновения  , зависящей от температуры. Время между данными столкновениями выражается в виде  , где ve –тепловая скорость электрона. Предполагается, что при каждом столкновении электрон останавливается и полностью передает иону свой импульс  mue . Уравнение для движения электрона будет иметь вид:

                        

С учетом дрейфовой скорости и времени столкновений уравнение можно записать в форме:

                        

Для дрейфовой скорости электронов получается выражение:

                        

Формула для плотности тока запишется следующим образом:

                        

Проводимость плазмы выражается в виде:

                        

Приведем выражение, полученное в теории плазмы для времени электрон-ионных столкновений:

                        

Данная формула содержит зависимость от температуры, как , а также, величину, имеющую слабую (логарифмическую) зависимость от температуры – кулоновский логарифм:

                

Как правило, данная зависимость от температуры Тe в кулоновском логарифме не учитывается. При использовании данных выражений формула Спитцера для проводимости примет вид:

                 

                 

Единицы температуры в формуле – градусы Кельвина. В диапазоне значений  n  и  Te , свойственных высокотемпературной плазме, выбирается значение  =15 и приближенный вид формулы будет следующий:

                 

Данные формулы записываются в системе СГСЭ. Принципиальным моментом для формулы Спитцера является ее зависимость практически только от температуры. Следует заметить, что полностью ионизованная водородная плазма обладает проводимостью, сравнимой с проводимостью меди при Т=107 К и значительно превосходит проводимость морской воды:

                 Спит.1017 ед.СГСЭ

                 медь 1017 ед.СГСЭ

                 м.вода 1011 ед.СГСЭ

                        

      Предположим, что полностью ионизованная водородная плазма помещена в высокочастотное электрическое поле, которое описывается следующей зависимостью:

                     

Допустим, что в проводимость, также, как и в формуле Спитцера, основной вклад вносит электронная составляющая, т.е. электронная дрейфовая скорость значительно превосходит ионную дрейфовую скорость (ue>>ui). Уравнение движения для электрона в электрическом поле запишется в виде:

                    

Последнее слагаемое в формуле представляет собой импульс электрона, переданный иону в результате столкновения, где  –частота электрон-ионных столкновений:

                   

Общий вид уравнения будет следующий:

                   

Зависимость  x(t) ищется в виде:

                   

Данное выражение подставляется в уравнение:

                  

Для амплитуды колебаний  x0  получается следующее выражение:

                 

Плотность тока будет иметь вид:

                

Проводимость плазмы, полученная из последнего уравнения, умножается на выражение комплексно сопряженное со знаменателем, что в результате дает следующую формулу:

                

               

Проводимость плазмы обычно представляют в виде действительной и мнимой частей:

              

              

   1) При , когда частота электрон-ионных столкновений значительно превышает частоту высокочастотного поля, проводимость плазмы определяется действительной частью проводимости и имеет вид:

              

   2) Если , т.е. при значительном превышении частоты высокочастотного поля над частотой электрон-ионных столкновений, проводимость плазмы зависит от мнимой части проводимости:

             

                      

     Рассмотрим проводимость полностью ионизованной водородной плазмы, помещенной в постоянное однородное магнитное поле. Более простым случаем является одинаковое направление магнитного и электрического полей . Сила Лоренца, действующая на заряженную частицы в данном варианте не будет иметь своей составляющей. В результате проводимость плазмы определяется формулой Спитцера:

                  = Спит.

      Представим случай взаимного перпендикулярного расположения полей: . В скрещенных полях частицы (протоны и электроны) будут испытывать дрейфовое движение в одном и том же направлении перпендикулярно электрическому и магнитному полям (рис.2), а скорость их дрейфа будет равна:

                

                                                                 

                                                       Рис.2

                                                                                                         

Рассмотрим влияние столкновений электрона и протона на дрейфовую скорость. Выразим дрейфовые скорости протонов и электронов:

                            

Запишем выражения для сил, действующих на протоны и электроны с учетом столкновений:      

                            

Данные силы равны по модулю и противоположны:               

              

В результате плазма как целое (протоны и электроны) будет испытывать дрейф в направлении перпендикулярном магнитному полю, а движение вдоль электрического поля будет отсутствовать. Ввиду этого, проводимость плазмы  при скрещенных электрическом и магнитном полях будет равна нулю:

              

Данный результат является возможным для различных установок, использующих внешнее магнитное поле для стабилизации плазмы.


ui

ue

uд

x


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24033. Влагалище: строение, топография, кровоснабжение, иннервация, отношение к брюшине 277 KB
  Влагалищные артерии происходят из маточных артерий а также из нижних мочепузырных средних прямокишечных и внутренних половых артерий. Большие и малые половые губы получают кровь по передним губным ветвям из наружной половой артерии правой и левой ветви соответствующей бедренной артерии а также по задним губным ветвям из промежностных артерий являющихся ветвями внутренних половых артерий. В кровоснабжении клитора и луковицы преддверия принимают участие парные глубокая артерия клитора дорсальная артерия клитора артерии луковицы...
24034. Острые лейкозы. Классификации 37.38 KB
  Неотложная помощь при гипертоническом кризе гиперкинетического типа Неотложную терапию при гипертоническом кризе гиперкинетического типа начинают с внутривенного введения 6 10 мл 05ного раствора или 3 5 мл 1ного раствора дибазола. Для купирования криза индерал или обзидан вводят внутривенно струйно в дозе 5 мг на 10 15 мл изотонического раствора натрия хлорида. Внутривенно или внутримышечно вводят 1 мл 01ного раствора рауседила. Внутривенно капельно вводят 1 мл 25ного раствора аминазина на 100 250 мл 5ного раствора глюкозы или...
24035. Бронхоэктатическая болезнь: клиника, диагностика, лечение 34.59 KB
  Существуют несколько классификаций бронхоэктатической болезни но в клинической практике чаще используется классификация А. Форма болезни: а легкая бронхитическая б выраженная в тяжелая г сухая кровоточащая. Течение болезни: а стационарное б прогрессирующее частота и длительность обострении. При хорошо собранном анамнезе часто удается выявить перенесенную в раннем детском возрасте пневмонию послужившую причиной развития бронхоэктатической болезни.
24036. Симптоматические язвы желудка и двенадцатиперстной кишки: клиника, диагностика 33.68 KB
  Симптоматические язвы желудка и двенадцатиперстной кишки это язвы которые возникают под действием язвопровоцирующего фактора. Их отличает от язвенной болезни то что всегда удается выявить провоцирующий язву фактор и если убрать этот фактор заживление язвы и выздоровление происходит достаточно быстро. Симптоматические язвы бывают: стрессовые лекарственные эндокринные возникшие на фоне заболеваний других внутренних органов.
24037. Ревматоидный артрит: клиника, диагностика, лечение 36.22 KB
  Течение болезни Ревматоидный артрит прогрессирует в трёх стадиях. Критериями неблагоприятного прогноза являются: раннее поражение крупных суставов и появление ревматоидных узелков увеличение лимфатических узлов вовлечение новых суставов при последующем обострении; системный характер болезни; персистирующая активность болезни при отсутствии ремиссии более года; стойкое увеличение СОЭ; раннее появление в течение первого года и высокие титры ревматоидного фактора ранние до четырёх месяцев рентгенологические изменения со стороны поражённых...
24038. Хронические обструктивные болезни легких 33.58 KB
  Мерцание и трепетание предсердий: тактика лечения. Мерцание предсердий хаотичное сокращение отдельных групп мышечных волокон предсердий при этом предсердия в целом не сокращаются а в связи с изменчивостью атриовентрикулярного проведения желудочки сокращаются аритмично обычно с частотой около 100150 в 1 мин. Трепетание предсердий регулярное сокращение предсердий с частотой около 250300 в 1 мин; частота желудочковых сокращений определяется предсердножелудочковой проводимостью желудочковый ритм может быть при этом регулярным или...
24039. Желчекаменная болезнь: этиология, клиника, диагностика 27.21 KB
  АМИЛОИДОЗ ПОЧЕК АП является проявлением общего амилоидоза который представляет собой системное заболевание характеризующееся внеклеточным отложением особого белковополисахаридного комплекса амилоида что приводит в конечном итоге к нарушению функции органов. До сих пор не существует общепринятой классификации амилоидоза. По наличию или отсутствию причинного фактора выделяют следующие формы амилоидоза: 1 идиопатический первичный; 2 наследственный генетический встречающийся при периодической болезни и некоторых формах семейного...
24040. Анемия. Классификации 23.57 KB
  Для этого наиболее удобно делить анемии по единому классификационному признаку цветовому показателю. Классификация анемий Анемии подразделяют на группы по различным признакам. В зависимости от него различают такие анемии: Гипохромные ЦП ниже 085: железодефицитная анемия талассемии Нормохромные ЦП в норме: гемолитические анемии когда скорость разрушения эритроцитов превышает скорость их продукции постгеморрагическая как результат потери крови вследствие кровотечения или кровоизлияния неопластические заболевания костного мозга...
24041. Системная красная волчанка: этиология, клиника, диагностика 26.34 KB
  Системная красная волчанка СКВ болезнь ЛибманаСакса лат. Разумеется эти симптомы не патогномоничны но сочетание с другими более специфическими увеличивает вероятность того что больной страдает СКВ. Дерматологические проявления Кожные проявления имеются у 65 больных СКВ возникают одними из первых однако только у 30 50 отмечается классическая сыпь на щеках в форме бабочки. Гнёздная алопеция и ульцерация полости рта и носа влагалища также в числе возможных проявлений СКВ.