|
|
ЧТО ПОНИМАЕТСЯ ПОД ТЕРМИНОМ «ПЛАЗМА»На Земле природные плазменные образования встречаются не часто. Поэтому знакомство человечества с плазменным состоянием вещества началось сравнительно поздно, примерно с середины XIX века. Толчком к формированию физики плазмы как научной дисциплины послужили два обстоятельства. Во-первых, внедрение в астрономию физических методов дистанционного изучения космических объектов, находящихся в состоянии плазмы и излучающих электромагнитные волны. Это звезды, многие туманности и другие объекты. Было установлено, что 99,9% вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы, а Земля – это малое исключение из общего правила. Началось активное изучение процессов, приводящих к образованию плазмы, и процессов, протекающих в самой плазме. Во-вторых, с началом широкого внедрения электричества в повседневную жизнь людей появились возможности создания бытовых и промышленных устройств, генерирующих и использующих плазму. Началось интенсивное экспериментальное исследование плазмы и разработка ее теоретических основ. Термин «плазма» введен в обращение в 1924 году Тонгсом и Ленгмюром – двумя выдающимися физиками, много сделавшими в сфере, как экспериментального изучения плазмы, так и создания теоретических основ. Определение: плазма – квазинейтральная система, содержащаясмесь заряженных и, возможно, нейтральных частиц вещества. Требование квазинейтральности – важнейшее условие, включенное в определение плазмы. Из него вытекают три ключевые следствия: - в плазме содержатся равные количества положительно и отрицательно заряженных частиц; - заряженные частицы образуют однородную смесь, так что плазменный объем нейтрален не только в целом, но и в каждой своей не слишком мелкой части; - плазма является макрообъектом, содержащим большое количество заряженных частиц в своем объеме, а время существования плазменного состояния не может быть сколь угодно малым. Рассмотрим эти три следствия подробнее. Создающие плазму заряженные частицы образуются в процессе объемной ионизации газа, при протекании которого всегда возникают равные количества положительно (ионы) и отрицательно (электроны) заряженных частиц. Важной характеристикой плазмы служит степень ее ионизации Это отношение концентрации электронов ne к концентрации всех тяжелых частиц в среде, то есть к сумме концентраций нейтральных частиц na и ионов ni:
Если Второе следствие становится понятным, если мы рассмотрим ситуацию, когда, из-за случайных причин возникает локальное временное разделение заряженных частиц разных знаков. Такое разделение нарушает нейтральность плазмы. Допустим, возникла ситуация, когда в одной локальной области, присутствует избыточное количество положительно заряженных ионов, а в другой – такое же по количеству избыточное содержание электронов. Возникает кулоновское взаимодействие разноименных зарядов, и электроны, как более легкие частицы, устремляются к объему с избыточными ионами. По инерции они проскакивают через этот объем, затем тормозятся и устремляются в обратном направлении и так далее. Возникают плазменные колебания, происходящие с частотой, согласно расчетам определяемой соотношением (2.2):
где Wр – в с–1, а ne – в см– 3. Такие плазменные колебания теоретически предсказал, а затем и экспериментально обнаружил Ленгмюр. Поэтому у них появилось второе название – ленгмюровские колебания. Зная частоту плазменных колебаний, можно определить то минимальное время, которое служит нижним временным пределом существования квазинейтральности. Этот нижний предел определяется временем, в течение которого локальные нарушения квазинейтральности из-за случайного разделения зарядов четко себя проявляют, то есть оно должно быть того же порядка, что и период плазменных колебаний. Если время существования плазмы охватывает несколько периодов ленгмюровских колебаний, то картина усредняется и среда предстает как квазинейтральная. Время tD, меньше которого ионизованный газ проявляет локальное отклонение от квазинейтральности, что не позволяет называть его плазмой, это – временной масштаб, отделяющий продолжительность существования просто ионизованного газа при слишком коротком времени его существования, от состояния плазмы, возникающего при более продолжительном существовании ионизованной среды:
Пример: концентрация заряженных частиц в ионизованном газе равна ~1012 см–3. Из соотношения (2.3) определяем, что tD ~ 6.10-11 c. Это очень маленькое время, но оно имеет место в импульсах длительностью порядка пикосекунд. Если мы попытаемся образовать плазму с таким временем существования, то даже при столь относительно низкой концентрации электронов, как в данном примере, в лучшем случае возникнет ионизованный газ, по определению не удовлетворяющий понятию плазма. С повышением концентрации электронов временной масштаб укорачивается, и шансы создать плазму с очень коротким временем жизни резко снижаются. Но локальное нарушение квазинейтральности может происходить не только при очень коротких временах существования ионизованного газа, но и при очень малых объемах, выделяемых нами для рассмотрения деталей. Отсюда появляется еще один критерий существования плазмы, который называют пространственным масштабом. Пространственное разделение зарядов определяется из условия, что энергия теплового движения заряженных частиц, способная вызвать такое разделение, не превышает энергии кулоновского взаимодействия между ними, препятствующего разделению. Энергия теплового движения частиц характеризуется температурой, она равна kТ, где k – постоянная Больцмана (k = 1,39.10-16 эрг/К =1,39.10-23 Дж/К). Энергия кулоновского взаимодействия между зарядами:
Здесь Т – в эВ (1эВ = 11600 К), ne – в см–3. Пример: Температура плазмы Т = 2 эВ (~23000 К) концентрация электронов ne = 1012 см-3. При этих условиях lD = 7.10- 4см. 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
.
< 1 (не все атомы или молекулы ионизованы), то плазму называют частично ионизованной. При 
(2.2)
(2.3)
где lD – характерный минимальный размер области, всегда остающейся квазинейтральной при данных значениях тепловой и кулоновской энергий. Этот размер называют дебаевской длиной. Он же и служит пространственным масштабом существования плазмы. Из условия равенства тепловой и кулоновской энергий определяют границу минимальной области, в которой плазма уже существовать не может (дебаевскую длину):
(2,4)