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

28 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

33178. Виды долговых ценных бумаг и их характеристика 13.9 KB
  К долговым ценным бумагам относятся облигации казначейские обязательства государства депозитные сберегательные сертификаты и векселя. Облигации выступают главным инструментом мобилизации средств правительствами различными государственными органами и муниципалитетами. Облигации действуют строго определенный срок. По сроку действия обычно облигации подразделяются на краткосрочные среднесрочные и долгосрочные.
33179. Понятие эмиссионной ценной бумаги. Виды и методики расчета цены и доходности 16.54 KB
  В подавляющем большинстве случаев цена размещения существенно превышает номинальную стоимость что обусловлено ростом стоимости активов в расчете на одну акцию вследствие развития фирмы. Используется именно текущая цена а не та цена которая была заплачена за облигацию инвестором. Пусть текущая цена облигации равна 100 ставка купона 10 то тогда облигация будет иметь: Текущая доходность без учета стоимости погашения ценной бумаги в размере 10 . Купон 10 х 100 = х 100 = 10 Цена 100 Одно из основных...
33180. Финансовые отношения организаций. Особенности финансов организаций различных организационно-правовых форм и отраслей экономики 18.84 KB
  59 Финансовые отношения возникают только при наличии денежных отношений: формирование имущества предприятия получение доходов привлечение заемных источников финансирования хозяйственной деятельности распределение доходов образующихся в результате этой деятельности их использование на цели развития предприятия. Финансовые отношения возникают между: учредителями в момент создания предприятия при формировании уставного капитала; предприятиями и организациями в процессе формирования и распределения валового дохода при оплате поставок...
33181. Характеристика активов, их группировка по степени ликвидности, обязательств – по степени срочности погашения. Оценка ликвидности баланса 17.13 KB
  скорости превращения в денежные средства все активы организации условно можно подразделить на пять групп. Наиболее ликвидные активы А денежные средства и краткосрочные финансовые вложения. Быстрореализуемые активы А2 активы для обращения которых в наличные средства требуется определенное время. Медленно реализуемые активы А3 производственные запасы незавершенное производство и готовая продукция.
33182. Взаимосвязь выручки, расходов и прибыли от реализации продукции. Показатели анализа безубыточности 41.86 KB
  61 Для прогнозирования максимально возможной прибыли в плановом году целесообразно сопоставить выручку от реализации продукции с общей суммой затрат подразделяемых на переменные постоянные и смешанные. Разность между фактическим количеством реализованной продукции и безубыточным объемом продаж продукции это зона безопасности прибыли и чем она больше тем стабильнее финансовое состояние предприятия. График позволяет установить при каком объеме реализации продукции предприятие получит...
33183. Понятие и расчет показателей рентабельности 273.64 KB
  62 РЕНТАБЕЛЬНОСТЬ это показатель характеризующий степень прибыльности или убыточности производства фирмы в целом или отдельных видов продукции. Расчет показателей рентабельности: Общая рентабельность определяется как отношение прибыли до налогообложения к выручке от реализации продукции. Рентабельность собственного капитала определяется как отношение чистой прибыли к величине собственного капитала организации.Формула расчета:где ЧПУОП чистая прибыль убыток отчетного периода;СК0 – собственный капитал на начало года;СК1 –...
33184. Расчет порога рентабельности, запаса финансовой прочности, производственный леверидж 22.1 KB
  Рн объем реализации в натуральном выражении. ПРд порог рентабельности в денежном выражении. ПРн порог рентабельности в натуральном выражении. Формула расчета порога рентабельности в денежном выражении: ПРд = ВЗпост В Зпер Формула расчета порога рентабельности в натуральном выражении в штуках продукции или товара: ПРн = Зпост Ц ЗСпер Насколько далеко предприятие от точки безубыточности показывает запас финансовой прочности.
33185. Экономическое содержание оборотного капитала. Структура оборотных активов организации и источники их финансирования 16.37 KB
  Иными словами это средства фирмы вложенные в текущие активы оборотные средства. Оборотные средства это денежные средства авансируемые для образования оборотных производственных фондов и фондов обращения с целью обеспечения непрерывного процесса производства и реализации продукции. В состав оборотных средств входят: запасы товарноматериальных ценностей дебиторская задолженность средства в расчетах денежные средства. Кроме разделения по составу оборотные средства можно классифицировать: по месту и роли в процессе воспроизводства...
33186. Определение потребности в оборотном капитале организации и эффективность его использования 21.76 KB
  66 Эффективное использование оборотных средств во многом зависит от правильного определения потребности в них. Это обусловливает необходимость формирования оборотных средств в определенном размере. Выяснение потребности организации в финансовых ресурсах для создания конкретных видов запасов осуществляется посредством нормирования оборотных средств. Нормирование оборотных средств осуществляется на каждом предприятии в строгом соответствии со сметами затрат на производство и непроизводственные нужды и бизнеспланом отражающим все стороны...