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

39359. Силовой расчет механизмов с учетом трения в кинематических парах 119.5 KB
  Способность контактирующих поверхностей звеньев сопротивляться их относительному движению называется внешним трением. Трение обусловлено неидеальным состоянием контактирующих поверхностей (микронеровности, загрязнения, окисные пленки и т.п.)
39360. Роль кросс-культурных исследований в изучении психического развития ребенка 51.05 KB
  Предмет кросс-культурной психологии – изучение сходства и различий психологических переменных в различных культурах и этнических общностях. Кросс-культурные исследования проводятся в рамках разных отраслей психологии: общая психология изучает особенности восприятия, памяти, мышления
39361. Распределение доходов. Заработная плата. Бюджет семьи 80.5 KB
  Доходы – это распределенный продукт, который субъекты экономических отношений получают для личного и производственного потребления. Доходы бывают натуральные (материальные блага и услуги) и денежные.
39362. Привод транспортера 877.5 KB
  При этом марки сталей выбирают с учетом наибольших размеров пары: диаметра для валашестерни и толщины сечения для колеса с припуском на механическую обработку после термообработки. Сочетание шестерни закаленной при нагреве ТВЧ и улучшенного колеса дает большую нагрузочную способность чем улучшенная пара с той же твердостью колеса. Такая пара хорошо прирабатывается; ее применение предпочтительно если нельзя обеспечить высокую твердость зубьев колеса.2 [1] одинаковый для шестерни и колеса но с разными твердостями так как твердость зубьев...
39363. Тарифная политика страховщика на региональном рынке страхования (по различным видам) 44.17 KB
  Только правильно сформированная и реализованная тарифная политика сможет обеспечить выполнение целей и задач страховой компании: рентабельность деятельности и общедоступность страхования для населения, организаций и государства.
39364. Расчет и основные характеристики привода ленточного конвейера 941 KB
  Мощность двигателя зависит от требуемой мощности рабочей машины а его частота вращения от частоты вращения приводного вала рабочей машины.2 Определение передаточного числа привода и его ступеней Передаточное число привода определяется отношением номинальной частоты вращения двигателя к частоте вращения приводного вала рабочей машины при номинальной нагрузке и равно произведению передаточных чисел закрытой и открытой передач.1 Частота вращения приводного вала рабочей машины 6 где: скорость тягового органа м с; диаметр...
39365. Проект детского кафе на 50 мест в Торгово- офисном центре г. Пушкино 1.34 MB
  Разработка проекта детского кафе проведена в здании реально существующего Торгово-офисного центра «ВИТ», расположенного в г. Пушкино, ул. Чехова 12. Привлекательность реализации данного проекта обосновывается положительными прогнозами экспертов относительно роста численности целевой аудитории детских кафе в России в последующие годы.
39366. Социальная организация понятие, признаки и функции 84.5 KB
  Социальная организация — это социальная система, которая характеризуется определенной коллективной тождественностью (идентичностью), имеет точный список членов, программу деятельности и процедуру перемещения (или замещения) членов.
39367. Основные данные и расчет привода ленточного конвейера 905 KB
  2 Определяем общий коэффициент полезного действия КПД привода по формуле 3 где: коэффициент полезного действия цилиндрической передачи 096; коэффициент полезного действия червячной передачи 08; коэффициент полезного действия открытой муфты 098; коэффициент полезного действия пары подшипников 099 Определяем общий КПД 2. Примем стандартное передаточное число червячной передачи тогда 9 где: передаточное число червячной передачи 20 2.1 Определяем мощности а двигателя б быстроходного вала цилиндрической...