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

30692. Черты драмы и трагедии в пьесе А.Н. Островского «Гроза». Роль второстепенных персонажей в художественной структуре пьесы 13.41 KB
  Роль второстепенных персонажей в художественной структуре пьесы. Такая популярность и актуальность пьесы объясняется тем что в Грозе сочетаются черты социальнобытовой драмы и высокой трагедии. В центре сюжета пьесы конфликт чувства и долга в душе главной героини Катерины Кабановой. Но еще Добролюбов указывал на то что на протяжении всей пьесы читатели думают не о любовной интриге а обо всей жизни.
30693. Анализ стихотворения Шепот, робкое дыханье 13.34 KB
  Любимая пора влюбленных ночь: Свет ночной ночные тени Стихотворение начинается с появления самих героев: Шепот робкоедыханье. И не случайно со слова шепот ведь ночью нельзя кричать тем более насвидании. Чувства героев развиваются от шепота и робкого дыханья к рядуволшебных изменений милого лица.
30694. «Отцы и дети» в одноименном романе И.С. Тургенева 14.14 KB
  Все эти новомодные веяния вызывают у Кирсанова возмущение и гнев. Все слова Кирсанова лишь слова так как не подкреплены никаким действием. Базарову человеку стремительному деятельному претит все из чего состоит Кирсанов.В финале романа мы узнаем что Кирсанов переехал в Германию и что сами немцы принимают его за англичанина.
30695. Типы носителей информации и их особенности 109.15 KB
  В современном обществе, где информация проблема носителей информации встала очень остро, так как объемы информации, генерируемые пользователями, возрастают в геометрической прогрессии.
30696. Мотив дороги в произведениях отечественной классики 19 века 25.31 KB
  Есенина Мотив дороги звучит в двух значительнейших произведениях 19 века. Образ дороги в этом произведении не выходит на первый план. Образ дороги здесь традиционный символ жизненного пути.
30697. Стихотворное новаторство В.В. Маяковского. Чтение наизусть и анализ стихотворения «А вы могли бы?» 12.76 KB
  Чтение наизусть и анализ стихотворения А вы могли бы. Тема этого стихотворения желание и способность лирического героя изменить в корне обыденную ни чем не примечательную жизнь причем сделать это так как никто другой и не подумал бы. Идея же заключается в названии стихотворения и в последних строках:А вы ноктюрн сыграть могли быНа флейте водосточных трубКаждая строка этого стихотворения вызов каждое слово экспрессивно и ярко; при своей лаконичности стихотворение оставляет более глубокое впечатление чем многие более длинные...
30698. Психологизм изображения внутреннего мира личности в лирике А.А.Ахматовой (на примере 3–4 стихотворений по выбору экзаменуемого). Земное и вечное в стихотворении «Приморский сонет» 15.95 KB
  Облик героини поэзии Ахматовой предстает в житейской простоте но в нем заключается пафос сильной личности. Ее лирическая героиня не отражает персональной судьбы Ахматовой а отражает проявление женской доли женского голоса. Предметный мир воспринимается уже в ином виде: три ступеньки кажутся вечностью любимый прием Ахматовой оксюморон темный дом свечи горевшие равнодушножелтым огнем. То в образе лирической героини проступают черты самой Ахматовой которая не верит что все происходит именно с ней насмешницей любимицей всех...
30699. Стихотворение А. Блока «Незнакомка» 12.25 KB
  Блока Незнакомка Тема страшного мира звучит в третьем томе стихотворений А. Это лишь внешняя видимая сторона страшного мира. При этом все зримые образы материального мира у Блока обретают символический подтекст. Повествование о ресторанной встрече превращается в рассказ о человеке угнетенном пошлостью окружающего мира его стремлении освободиться от этого.
30700. АНАЛИЗ 1 ГЛАВЫ 1 ЧАСТИ «МАСТЕРА И МАРГАРИТЫ» 20.62 KB
  Патриавшие пруды это центр Москвы давно пользующийся дурной славой Время года месяц: Весна май Время суток: Небывало жаркий закат странности возникающие в это время на Патриарших: одновременная икота литераторов; отсутствие в жаркое время отдыхающих под липами; появление прозрачного человека в клетчатом пиджаке; чувство необоснованного страха появившегося у Берлиоза...