74225

ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ ПЛАЗМА

Лекция

Физика

Развитие физики плазмы диктуется чисто практическими целями: новые источники энергии управляемый термоядерный синтез преобразователи непосредственно тепловой энергии в электрическую МГД генераторы и т. Если возникает неравенство зарядов возникает поляризация плазмы следовательно возникает электрическое поле. Аналогично в течении малых промежутков времени возможно разделение зарядов поляризация плазмы но масштаб этой поляризации обратно пропорционален времени существования.

Русский

2014-12-30

84.5 KB

3 чел.

Лекция 18 ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ ПЛАЗМА

  1.  Понятие плазмы. Основные определения и соотношения

Плазма – газ, атомы которого ионизированы, т.е, потеряли один или несколько электронов (полностью или частично) и занимают объем с размерами значительно больше дебаевского радиуса Rd.

 Cостав: ионы, электроны, нейтральные частицы.

Очень широко распространена (источники света – газоразрядные лампы, газоразрядные приборы электроники, ионосфера планет, звезды, межзвездный газ).

Развитие физики плазмы диктуется чисто практическими целями: новые источники энергии (управляемый термоядерный синтез), преобразователи непосредственно тепловой энергии в электрическую (МГД – генераторы), и т.д. Используется все шире в ускорительной технике, электронике интенсивных пучков, промышленных технологиях обработки материалов (плазменные технологии) и т.д.

      

Параметры: концентрация n (каждой составляющей);

                              температура (каждой составляющей); Te, Ti

                              время жизни τ

Плазма обычно квазинейтральна (т.е. в некотором приближении). Если возникает неравенство зарядов, возникает поляризация плазмы, следовательно возникает электрическое поле. Они стремятся восстановить равновесие системы. И если в малых масштабах возможны неравномерности плотности зарядов, то в больших масштабах нарушения равномерностей не наблюдается, следовательно плазма в целом нейтральна. Аналогично, в течении малых промежутков времени возможно разделение зарядов – поляризация плазмы, но масштаб этой поляризации обратно пропорционален времени существования.

Каков же временный масштаб разделения зарядов в плазме (т.е. время жизни неоднородностей)?

,

где   

- частота плазменных колебаний (электростатические, колебания Ленгмюра)

;    ;      ;    

Плазма обладает большим спектром колебаний, электростатические – наиболее простые. Если рассм. время t >> 1/ω0 – то колебания усредняются и можно считать плазму нейтральной, при t ≤ 1/ ω0 – наоборот.

Таким образом ω0 характеризует временный масштаб разделения зарядов.

Тогда смещение электронов при плазменных колебаниях относительно ионов dVср t, где t ≈ 1/ ω0 и

-

- дебаевский радиус экранирования.

 

Этот параметр определяет пространственный масштаб разделения зарядов в плазме. Размером d характеризуется также и глубина проникновения внешнего поля и расстояние на котором действие заряда на другие частицы компенсируется (экранирование поля заряда).

Поляризация плазмы возможна на расстоянии xd. Если размеры >> d – можно считать плазму нейтральной.  

6.2  Взаимодействие частиц плазмы между собой. Спектры излучения.

Одним из способов получения плазмы является газовый разряд, в ходе которого в объеме, заполненном газом происходит процесс взаимодействия заряженных частиц и фотонов (инжектированных в объем или же образовавшихся в результате внешнего воздействия) с атомами или молекулами (нейтральными частицами), а также другими заряженными частицами.

Различают упругие и неупругие соударения.

Упругие соударения характеризуються сохранением суммы кинетических энергий частиц (до и после соударения).

Неупругие отличаются тем, что часть кинетической энергии переходит в другие виды энергии (возбуждения, ионизация) (соударения первого рода) или же наоборот часть потенциальной энергии частиц переходит в кинетическую (соударения второго рода)

Основные виды элементарных процессов в разряде (неупругие соударения):

e + Ae + A´  или  e + A →  e + Am  - возбуждение электронным ударом;

e + Ae + A+ + e  - ионизация эл. ударом;

e + Am   e + A+ + e  - ионизация метастабильным электронным ударом;

e + AA +   -радиационный захват;

e + ABA + B   - диссоциативный захват;

e + ABβe + A+ + B  - диссоциация на ионы эл. ударом;

e + A+ A´ +     - рекомбинация с излучением;

e + AB+ A´+ B´  -диссоциативная рекомбинация;

e + A+ + AA + A  -рекомбинация в тройном ударе;

A++ B A + B   -ион-ионная рекомбинация;

Am + BA + B+ + e  -ионизация Пеннинга;

A + A´   -фотовозбуждение;

A + A+ + e   -фотоионизация.

Где: e – электрон;

       А – атом, A´ - возб. атом; A+ - ионизир. атом;

       Am – атом, возбужденный в метастабильном состоянии;

       АB – двухатомная молекула

        – фотон с частотой ν.

 

Минимальная энергия, затрачиваемая электроном для перевода атома А в возбужденное состояние A´ называется энергией возбуждения (потенциал возбуждения Uв)

Wв = e Uв

 Возбужденный атом – атом, в котором электрон внешней оболочки переходит на первый незаполненный энергетический уровень. Это состояние весьма кратковременно ≈ 10-8 … 10-10с. Электроны самопроизвольно возвращаються на прежний уровень, при этом излучается фотон.

= e(U2-U1)=e(Uв-U0).

Такое излучение называеться резонансным, т.е. фотон может поглощаться другими атомами неоднократно (с переводом их в возбужденное состояние) и снова излучаться, “путешествуя” по объему газа до поглощения спектрами.

Некоторые газы (инертные, пары ртути) имеют так же уровни возбуждения, с которых электроны не могут самостоятельно перейти на другие (такие же) уровни. Такой переход возможен только при добавочных столкновениях, приводящих либо к увеличению энергии e- и переходу его на более высокий уровень, либо к отдаче избыточной энергии и возврату атома в невозбужденное состояние. Эти уровни называються метастабильными, атомы с электронами, находящимися на метастабильных уровнях возбуждения – метастабилями.

Для превращения A в A+ необходимо Wi = eUi :

Характерные потенциалы возбуждения и ионизации, В, приведены в таблице 6.1

Таблица 6.1. – Потенциалы возбуждения и ионизации некоторых газов

Газ

Не

H

Hg (пары)

Uрез

Uмет

Ui

20,9

19,8

24,5

11,2

-

16,4

4,87

4,64

10,44

Очевидно, что частицы, образующиеся в результате вышеприведенных процессов, так же взаимодействуют с другими частицами газа.

Наряду с процессами ионизации всегда имеет место обратный процесс рекомбинации, т.е. соединении иона со свободным электроном. Этот процесс сопровождается рекомбинационным излучением фотоном. Для него характерен сплошной спектр излучения (в отличии от линейного спектра излучения возбужденных атомов). Причина заключается в том, что энергия электрона, учавствующего в процессе рекомбинации, может быть любой.

Один из существующих факторов ионизации – возбуждение и ионизация электронным ударом. Учитывая закон сохранения энергии и импульса можно показать, что при электронном ударе (me << Ma) электрон может всю кинетическую энергию израсходовать на изменение внутреннего энергетического состояния атома. Это позволяет по известной  Wе – определить энергию возбуждения и ионизации атомов газа.

Явление захвата e- нейтральным атомом с образованием отрицательного иона имеет место в газах с почти заполненной электронной оболочкой. При этом образовавшийся ион оказывается энергетически устойчивее исх. атома. Выделившаяся при этом захвате энергия называется электронным сродством. Если эл. сродство > 0 → излучается – это назвается радиационный захват.

  1.  Понятие явлений переноса.

Явление переноса – движение заряженных частиц в плазме под действием E, градиента концентрации n, перепада температур.

  1.  Дрейфовые движения частиц

Дрейф – движения заряженных частиц под действием внешних воздействий (поле).

Диффузия – движения заряженных частиц из-за наличия внутренних неоднородностей (концентрации, температуры).

Рассмотрим движение заряженных частиц плазмы в электрическом поле Е. Учитывая преобладающую активность электронной компоненты, определим зависимость электронного тока от E (считаем плазму полностью ионизированной):

               (7.1)

- где, - частота соударений в плазме.

Учитывая, что под действием силы еE электрон ускоряется, а сила трения возрастает по мере ускорения электрона до тех пор, пока не компенсирует полностью силу электрического поля. В этом случае электрон будет двигаться равномерно, следовательно, .

      (7.2)

         -   закон Ома для плазмы.

Откуда       - проводимость плазмы.

   (пропорциональна n)

- время между соударениями (время свободного пробега);

z – степень ионизации иона;

Lk – кулоновский логарифм (Lk ~ 10…20… 15) =

- минимальный угол отклонения при столкновениях.

 Ecли в плазме есть и нейтральные частицы (холодная плазма), проводимость зависит и от взаимодействия e- с нейтральными частицами

где νenчастота столкновения e- и нейтральных частиц.

Тогда подставляя получим:

  •   - проводимость плазмы формула Спитцера (1958)

 (7.3)

- где B – постоянная.

Проводимость плазмы сильно зависит от T, если плазма изотермическая T=Te=Ti, если нет, Te>>Ti, следовательно, Te – температура электронной компоненты.

Схема дрейфового движения:

 

т.е. положение

- хаотического теплового движения, определяемого средней арифметической скоростью движения.

- направленного движения, определяемого разностью между числами частиц, проходящего через единицу поверхности  за единицу времени в прямом и обратном направлениях.

Отклонение от закона Ома в плазме

; но T~Te завистит в свою очередь от E/Po (E – напряженность поля, Po – давления газа), следовательно σ=σ(E). Таким образом нарушаеться прямая пропорциональность j и E, характерные для закона Ома. Следовательно, j нелинейно зависит от E!


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1296. Технические аспекты реализации информационных технологий (аппаратное обеспечение ПЭВМ) 432.5 KB
  Основы технического обеспечения информационных технологий. (Типы вычислительных устройств. История появления и развития ВТ.) Основы построения компьютерных систем. Внешние устройства ПЭВМ (принтеры, мониторы, устройства ввода-вывода). Состав системного блока (системная плата, процессор, запоминающие устройства).
1297. Монтаж сборных конструкций промышленных зданий 565 KB
  Одноэтажное здание бескрановое, имеет длину 144м и ширину 48м. Отметка низа стропильных конструкций 9.6м. Здание имеет симметричную форму относительно осей 13 и Е. Освещение естественное через светоаэрационные фонари и окна. Высота здания 14.8м.
1298. Основы теоретической химии 367.5 KB
  Зависимость скорости химических реакции от температуры. Гидролиз по катиону. Физические свойства растворов. Составление уравнений методом ионно-электронного баланса. Свойства элементов р-электронного семейства и их соединений. Свойства элементов d-электронного семейства и их соединений.
1299. Анализ финансового состояния предприятия 97.5 KB
  Анализ финансового состояния начинается с общей оценки структуры средств хозяйствующего субъекта и источников их формирования, изменения ее на конец года в сравнении с началом по данным баланса. Для этого используются приемы структурно-динамического анализа.
1300. Расчет соединений трансформатора 601 KB
  Проверить, будет ли термически устойчив трансформатор тока, установленный в цепи с периодической составляющей тока. Определить усилие, с которым две одинаковые плоские катушки притягиваются друг к другу.
1301. Муниципальное бюджетное учреждение здравоохранения городского округа Тольятти Городская больница №2 имени В.В. Баныкина 89.5 KB
  В кардиологическом отделении имеются палаты интенсивной терапии на 6 коек со своим штатом. Родильный дом располагает своим отделением анестезиологии и реанимации на 3 койки и отделением детской реанимации на 6 коек.
1302. 30-квартирний житловий будинок 59.5 KB
  Проект на тему 30-квартирний житловий будинок виконаний згідно завдання, виданого кафедрою Архітектура будівель і містобудування, і з урахуванням вимог модульної координації роз-мірів у будинку, санітарних і протипожежних норм, а також враховані норми проектування за видами будинків і вимоги ЕБКД і СПДБ.
1303. Психологічні основи прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій 83 KB
  Зміст і головні етапи прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій. Чинники, які впливають на процес прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій. Вимоги до прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій. Колегіальний підхід до прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій.
1304. Роль доврачебной помощи при несчастных случаях. Организация работ при возникновении ЧС 72 KB
  Оказание ПМП в очагах ЧС. Опыт и проблемы ликвидации ЧС системой ГО. Единая государственная система предупреждения и ликвидации ЧС. Основные мероприятия по защите населения в ЧС мирного и военного времени.