Главная страница
Навигация по странице:

  • 3.2. Дебаевский радиус экранирования

  • Рис. 3.1. К понятию о дебаевском радиусе экранирования

  • 3.3. Плазма в электрическом поле

  • 03(Основные понятия физики плазмы). 3. Основные понятия физики плазмы Определение плазмы и ее основные свойства


    Название3. Основные понятия физики плазмы Определение плазмы и ее основные свойства
    Анкор03(Основные понятия физики плазмы).doc
    Дата07.05.2017
    Размер59 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файла03(Основные понятия физики плазмы).doc
    ТипДокументы
    #2721
    КатегорияФизика

    3. Основные понятия физики плазмы

    3.1. 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 m 1. В технических устройствах, как правило, имеют дело с неполностью или частично ионизованной плазмой, для которой m  1.

    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 10-810-6. Положительный столб дугового разряда при атмосферном и более высоких давлениях имеет степень ионизации порядка 10-310-1 .

    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 (15)1017 1/см3.

    В зависимости от условий, в которых образована и находится плазма, различают низкотемпературную и высокотемпературнуюплазму. 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 = nnn 0.

    В нейтральном газе мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц является температура газа Т, определяемая из соотношения 1/2 mw2 = 3/2 kT, где mмасса 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 TTи 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.

    3.2. 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.

    Р


    Рис. 3.1. К понятию о дебаевском радиусе

    экранирования
    ассмотрим элемент структуры поля состоящий из некоторой заряженной частицы и объемного заряда, например, ионов противоположного знака, расположенных на некотором расстоянии (рис. 3.1). 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 = 1 эВ и ne = 1014 1/м3 дебаевский радиус d = 5,210-4 м. Часто ионизованный газ называют плазмой, если дебаевский радиус экранирования много меньше других характерных расстояний области, занятой плазмой.
    3.3. 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 = 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> + <2uw> + < w2>.

    Так как направления скорости хаотического движения равновероятны, то среднее значение произведения <2uw> = 0. Среднее значение полной энергии частиц в плазме

    1/2<(mv2)> = 1/2(mu2 + m<w2>),
    где 1/2 m<w2>  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.



    написать администратору сайта