Плазма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Плазма.

2. Основные понятия.

3. Основные свойства плазмы.

Список литературы

1. Плазма

Плазмой называется квазинейтральный газ заряженных частиц. В наиболее распространенном случае плазма состоит из электронов и положительно заряженных ионов. В плазме могут присутствовать также нейтральные атомы: если их доля значительна, плазма называется частично (или не полностью) ионизованной. Если доля нейтральных атомов пренебрежимо мала, то мы имеем дело с полностью ионизованной плазмой.

В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной - звезды, оболочки звезд, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные поля Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле. В повседневной жизни встречи с ней ограничиваются всего несколькими примерами: вспышка молнии, мягкое свечение северного сияния, проводящий газ внутри флуоресцентной трубки или неоновой рекламы.

В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма образуется в электрическом разряде в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидро-динамических генераторах, в установках для исследования управляемого термоядерного синтеза. Многими характерными для плазмы свойствами обладают совокупности электронов и дырок в полупроводниках и электронов проводимости (нейтрализуемых неподвижными положительными ионами) в металлах, которые поэтому называются плазмой твердых тел. Ее особенность -- возможность существования при сверхнизких для "газовой" плазмы температурах - комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры.

Возможные значения плотности плазмы n охватывают широкий диапазон: от n ~ 106 см-3 в межгалактическом пространстве и n ~ 10 см -3 в солнечном ветре до n ~ 1022 см-3 для твердых тел и еще больших значений в центральных областях звезд.

Термин плазма в физике был введен в 1923 г. американскими учеными Ленгмюром и Тонксом, проводившими зондовые измерения параметров низкотемпературной газоразрядной плазмы. Кинетика плазмы рассматривалась в работах Л.Д. Ландау (1936 и 1946 гг.) и А.А. Власова (1938 г.). В 1942 г. Альфвен поедложил уравнения магнитной гидродинамики для объяснения ряда явлений в космической плазме. Зарождение современной физики плазмы относится к началу 50-х гг., когда была выдвинута идея создания термоядерного реактора на основе управления реакциями синтеза, протекающими при взрыве водородной бомбы. Собственно после того как в 1952 и 1953 гг. в США и СССР были проведены испытательные взрывы первых водородных бомб, и были начаты работы по мирному применению энергии реакций синтеза, для осуществления которых вещество с химическими элементами, вступающими в реакции синтеза, необходимо нагреть до температуры несколько сот миллионов градусов -- поэтому эти реакции часто называют термоядерными. При столь высокой температуре любое вещество неизбежно превращается в плазму. Задача нагрева и удержания такой плазмы и явилась причиной быстрого роста научных исследований в области физики плазмы.

2. Основные понятия

Основные понятия. При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, то молекулы газа начнут распадаться (диссоциировать) на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Свободные заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в плазме - ее квазинейтральности. Нарушение квазинейтральности в объеме, занимаемом плазмой, ведет к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. Степенью ионизации плазмы называется отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы. В условиях термодинамического равновесия оно определяется формулой Саха

где Nл = nліе - число частиц всех сортов в кубе с ребром, равным тепловой длине волны де Бройля для электронов ле - ћ \/2р/mеkT; I - энергия ионизации.

Для многозарядных ионов следует учитывать кратность ионизации атомов. В зависимости от значения б говорят о слабо-, сильно- и полностью ионизованной плазме.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут отличаться одна от другой. В таком случае плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т, и различают электронную температуру Те, ионную температуру Тй, (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Та. Подобная плазма называется неизотермической, в то время как плазма, в которой температуры всех компонент одинаковы, называется изотермической.

Применительно к плазме несколько необычный смысл (по сравнению с другими разделами физики) вкладывается в понятия низкотемпературная и высокотемпературная. Низкотемпературной принято считать плазму с Т ? 105 К, а высокотемпературной - плазму с Т ? 106 ч 105 К и более. Такое деление отражает тот факт, что высокотемпературная водородная плазма является полностью ионизинованной, тогда как в низкотемпературной плазме обычно важным является учет наличия нейтральных частиц. Это условное разделение связано с особой важностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС).

3. Основные свойства плазмы

Основные свойства плазмы. В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т.е. значительно более далънодействующими), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме является, строго говоря, не парным, а коллективным - одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрическое и магнитное поля сильно действуют на плазму, вызывая появление в плазме объемных зарядов и токов и обусловливая ряд специфических свойств плазмы. Эти отличия позволяют рассматривать плазму как особое, "четвертое" состояние вещества.

К важнейшим свойствам плазмы относится упомянутая выше квазинейтральность. Она соблюдается, если линейные размеры l области, занимаемой плазмой, много больше дебаевского радиуса экранирования:

где ее и ei - заряды электронов и ионов, ne и ni, - электронная и ионная плотности; здесь и ниже используется абсолютная система единиц Гаусса (СГС система единиц); когда приводятся цифровые значения величин, то в скобках даются значения в СИ. Следовательно, лишь при выполнении условия l >>D можно говорить о плазме как таковой. Электрическое поле отдельной частицы в плазме экранируется частицами противоположного знака и фактически исчезает на расстояниях от частицы порядка D. Величина D определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в плазму. Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности плазмы, где более быстрые электроны вылетают по инерции за счет теплового движения на расстояние ~D (рис. 1).

Рис. 1. Нарушение квазииейтральности плазмы на длине порядка дебаевского радиуса экранирования D

Плазма называется идеальной, если потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией. Это условие выполняется, когда число частиц в сфере радиуса D велико:

Например, в молнии Т ~ 2•104 К, n ~ 2,5•1019 (плотность воздуха) и, следовательно, D ~ 10-7 см, но Nd ~ 1/40. Такую плазму называют слабонеидеальной.

Помимо хаотичного теплового движения частицы плазмы могут участвовать в упорядоченных коллективных процессах, из которых наиболее характерны продольные колебания пространственного заряда, называемые ленгмюровскими волнами. Их угловая частота называется плазменной частотой (е и m - заряд и масса электрона). Многочисленность и разнообразие коллективных процессов, отличающих плазму от нейтрального газа, обусловлены дальностью кулоновского взаимодействия частиц плазмы, благодаря чему плазму можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны.

В магнитном поле с индукцией В на частицы плазмы действует сила Лоренца; в результате этого заряженные частицы плазмы вращаются с циклотронными частотами щB - еВ/тс по ларморовским спиралям радиуса сB = v /щB, где v - перпендикулярная B составляющая скорости частицы. В таком взаимодействии проявляется диамагнетизм плазмы: создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле, при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы - против нее (рис. 2).

Рис.2 Вращение ионов и электронов по ларморовским спиралям.

Магнитные моменты таких круговых токов равны м = mv2 /2B, и в неоднородном поле на них действует диамагнитная сила, стремящаяся вытолкнуть частицу плазмы из области сильного поля в область более слабого поля, что является важнейшей причиной неустойчивости плазмы в неоднородных полях.

Рис. 3. Электрон, пролетающий мимо иона, движется по гиперболе: В - угол отклонения

Взаимные столкновения частиц в плазме описывают эффективными поперечными сечениями, характеризующими "площадь мишени", в которую нужно "попасть", чтобы произошло столкновение. Например, электрон, пролетающий мимо иона на расстоянии прицельного параметра с (рис. 3), отклоняется силой кулоновского притяжения на угол и, примерно равный отношению потенциальной энергии к кинетической, так что и = 2с /с, где с = е2/mv2 ? е2 /kT (здесь с - прицельное расстояние, при котором угол отклонения и = 90є). На большие углы и ~ 1 рад рассеиваются все электроны, попадающие в круг с площадью у ?4рс2 , которую можно назвать сечением близких столкновений. Если, однако, учесть и далекие пролеты с с>>с., to эффективное сечение увеличивается на множитель = In (D/p ), называемый кулоновским логарифмом. В полностью ионизованной плазме обычно

~ 10ч15 и вкладом близких столкновений в сечение можно пренебречь (см. сказанное выше о дальнодействии в плазме). При далеких же пролетах скорости частиц изменяются мало, что позволяет рассматривать их движение как процесс диффузии в своеобразном пространстве скоростей.

Удобными характеристиками столкновительных процессов являются длина свободного пробега частицы l = 1/nу, число ее столкновений v = nvу за единицу времени, а также время между столкновениями ф = 1/н, однако в отличие от обычных газов, в плазме эти величины оказываются различными для разных процессов. Например, максвелловское распределение электронов устанавливается за время фее, а аналогичный процесс максвеллизации ионов протекает за большее время фii= фее /mi /me и, наконец, выравнивание электронной Те и ионной Тe температур, т.е. общая максвеллизация плазмы протекает еще медленнее - за время феi, - фееmi/me. Если последний процесс еще не успел завершиться, то Те ?Ti .

Если в плазме не возбуждены какие-либо интенсивные колебания и неустойчивости, то именно столкновения частиц определяют ее так называемые диссипативные свойства - электропроводность, вязкость, теплопроводность и диффузию. В полностью ионизованной плазме электропроводность у не зависит от плотности плазмы и пропорциональна Ті2 При Те ~ 15 •106 К она превосходит электропроводность серебра, поэтому часто, особенно при быстрых крупномасштабных движениях, плазму можно приближенно рассматривать как идеальный проводник, полагая у = ? . Если такая плазма движется в магнитном поле, то ЭДС при обходе любого замкнутого контура, движущегося вместе с плазмой, равна нулю, что по закону Фарадея для электромагнитной индукции приводит к постоянству магнитного потока, пронизывающего контур (рис. 4).

Рис. 4. Движение силовых линий магнитного поля В вместе с плазмой (свойство "вмороженности" силовых линий)

плазма электромагнитный индукция частица

Эта "приклеенность", или вмороженность, магнитного поля также относится к важнейшим свойствам плазмы. Ею обусловлена, в частности, возможность самовозбуждения (генерации) магнитного поля за счет увеличения длины магнитных силовых линий при хаотичном турбулентном движении среды. Например, в космических туманностях часто видна волокнистая структура, свидетельствующая о наличии магнитного поля, созданного таким механизмом динамо с самовозбуждением.

Список литературы

1. Котельников И.А., Ступаков Г.В. «Лекции по физике плазмы»: Учеб.пособие для студентов /Новосиб.ун-т. Новосибирск, 1996.

2. Трубников Б.А. «Теория плазмы»: Учеб.пособие для студентов.

Размещено на Allbest.ru