Основные понятия физики плазмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные понятия физики плазмы

1. Определение плазмы и ее основные свойства

Плазмой называют ионизованный газ, содержащий свободные положительно и отрицательно заряженные частицы, в котором суммарный заряд в каждой единице объема стремится к нулю, то есть плазма представляет собой электрически нейтральную среду.

В общем случае плазма может состоять из положительно заряженных ионов, отрицательно заряженных частиц - электронов и отрицательных ионов - и нейтральных частиц.

Отношение числа электронов nе (или ионов) в единице объема плазмы к полному числу частиц n в этом же объеме:

m = nе / n

- называют степенью ионизации плазмы. В предельном случае, когда число нейтральных частиц в плазме стремится к нулю, плазма называется полностью ионизованной, для которой m1. В технических устройствах, как правило, имеют дело с не полностью или частично ионизованной плазмой, для которой m1.

Степень ионизации плазмы в зависимости от условий ее образования и существования может изменяться в широких пределах. Столб тлеющего разряда - это слабоионизованный газ со степенью ионизации порядка 10-810-6. Положительный столб дугового разряда при атмосферном и более высоких давлениях имеет степень ионизации порядка 10-310-1.

В соответствии с величиной концентрацией частиц может быть разреженная плазма, примером которой служит ионосфера Земли, в которой концентрация электронов составляет 105 1/см³, или плазма в столбе тлеющего разряда при низких давлениях газа, и плотная плазма, например, в канале лидера при разряде в длинных воздушных промежутках или в канале молнии, в котором концентрация электронов может достигать (15)1017 1/см³.

В зависимости от условий, в которых образована и находится плазма, различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму. В низкотемпературной плазме температура близка к температуре окружающей среды и составляет порядка 300 400 К. В высокотемпературной плазме температура может достигать тысяч и сотен тысяч Кельвинов.

Основное свойство плазмы - стремление к электрической нейтральности - является следствием взаимодействия полей отдельных заряженных частиц. В плазме, являющейся смесью заряженных частиц разного знака, силы притяжения, действующие между разноименно заряженными частицами, уравновешиваются силами отталкивания одноименно заряженных частиц. Учитывая статистический характер распределения частиц в плазме, говорят не о полной электрической нейтральности, а о квазинейтральности плазмы. Квазинейтральность означает, что суммарный заряд каждой единицы объема плазмы:

q = n+ + n + ne 0

В нейтральном газе мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц является температура газа Т, определяемая из соотношения:

1/2 mw 2 = 3/2 kT

Где:

m - масса частиц газа,

w - средняя скорость их хаотического движения,

k - постоянная Больцмана.

Таким же образом характеризуют и среднюю энергию частиц плазмы.

В этом случае средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться температурой соответственно Te и Ти.

В слабых электрических полях и в установившемся режиме средние энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны средней энергии нейтральных частиц, что соответствует:

Te = Tи = Тгаза

Такое состояние означает полное термодинамическое равновесие, и плазма называется равновесной.

В сильных электрических полях энергия, приобретаемая электронами от поля, оказывается существенно больше энергии ионов из-за сильного различия в скоростях частиц. Энергия электронов при ограниченном времени взаимодействия не успевает выровняться с энергией ионов. Поэтому в такой плазме:

Te Tи = Тгаза

Такое состояние характеризует неравновесную плазму.

Даже в неравновесной плазме, образующейся, например, в канале лидера, из-за отклонений в распределении плотности частиц могут образоваться области, в которых плазма близка равновесной.

Такие области называют областями локального (местного) термодинамического равновесия.

2. Дебаевский радиус экранирования

Как уже сказано выше, основным свойством плазмы является стремление к электрической нейтральности. Однако в процессе хаотического движения частиц в плазме возможно временное отклонение от нейтральности в отдельных областях, то есть происходит временное разделение зарядов в пространстве. Так же следует иметь в виду, что в общем случае заряды различного знака расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Рассмотрим элемент структуры поля состоящий из некоторой заряженной частицы и объемного заряда, например, ионов противоположного знака, расположенных на некотором расстоянии (рис.).

Рисунок:

В целом система нейтральна и на удалении поле стремится к нулю. Однако вблизи заряженной частицы электростатическое поле от этой частицы преобладает. Только начиная с некоторого расстояния начинает проявляться действие зарядов противоположного знака, стремящихся уменьшить суммарное поле.

Характерное расстояние, на котором перестают проявляться неоднородности структуры поля квазинейтральной плазмы носит название дебаевского радиуса экранирования.

В равновесной плазме, где температуры электронной и ионной составляющих плазмы одинаковы:

Те = Т+ = Тгаза

- характерный радиус экранирования заряда равен:

В неравновесной плазме при:

Те >> Т+ = Тгаза

Дебаевский радиус связан с расстоянием, на которое возможно сильное разделение зарядов в плазме. Например, при Те = 1эВ и ne = 1014 1/м³ дебаевский радиус d = 5,210-4 м. Часто ионизованный газ называют плазмой, если дебаевский радиус экранирования много меньше других характерных расстояний области, занятой плазмой.

3. Плазма в электрическом поле

Выше было рассмотрено движение в электрическом поле отдельных заряженных частиц.

В отличие от такого случая движение заряженных частиц в плазме во внешнем электрическом поле существенно усложняется, так как напряженность электрического поля, действующего на каждую отдельно взятую частицу, складывается из напряженности внешнего поля и напряженности полей всех остальных частиц.

Учесть при анализе все эти поля практически невозможно, в особенности при наличии столкновений между частицами, поэтому переходят к макроскопическому рассмотрению, основанному на статистическом осреднении индивидуальных взаимодействий полей частиц.

Пусть в полностью ионизованной плазме, находящейся в электрическом поле, все столкновения частиц носят только упругий характер. Движение частиц плазмы можно представить как сумму направленного движения со скоростью u и хаотического движения со скоростью w. Если через v обозначить вектор полной скорости частиц, то для каждого момента времени:

v = u + w

Среднее значение скорости хаотического движения равно нулю (<w> = 0), и во внешнем поле <v> = <u>. Для однотипных частиц с одинаковой массой <v> = u, так как скорости u всех однотипных частиц одинаковы.

Рассчитаем энергию частиц участвующих в направленном и хаотическом движении. Энергия частиц определяется квадратом скорости. Среднее значение квадрата полной скорости:

<v2> = <v2> =<(u +w)2> = <u2> + <2u w> + < w2>

Так как направления скорости хаотического движения равновероятны, то среднее значение произведения:

<2u * w> = 0

Среднее значение полной энергии частиц в плазме:

1/2<(mv2)> = 1/2(mu2 + m<w2>)

Где: ионизованный газ кинетический

1/2<(mv2) - есть средняя энергия хаотического движения.

Таким образом наложение внешнего электрического поля приводит к увеличению средней энергии частиц плазмы на величину кинетической энергии движения частиц в этом поле.

Размещено на Allbest.ru