Определение понятия плазмы
Плазмой называется ионизованный газ, в котором атомы (все или
значительная часть из них) потеряли по одному или по несколько
принадлежавших им электронов и превратились в положительные
ионы. Это - предварительное определение плазмы как особого
состояния вещества; более точное определение дано несколько
ниже.
В общем случае плазма представляет собой смесь трех компонент и
содержит свободные электроны, положительные ионы и нейтральные
атомы (или молекулы).
Плазма - это наиболее распространенное состояние вещества в
природе. Солнце и звезды можно рассматривать как гигантские
сгустки горячей плазмы. Внешняя поверхность земной атмосферы
прикрыта плазменной оболочкой - ионосферой. Радиационные пояса,
расположенные в околоземном пространстве, за пределами
ионосферы, представляют собой весьма разреженные плазменные
образования. В земных природных условиях, в лабораториях и в
технике мы встречаемся с плазмой при различных газовых разрядах,
так как любой газовый разряд (молния, искра, дуга и т. д.)
связан с возникновением плазмы.
Роль главных стимулов в развитии исследований по физике плазмы
всегда играли перспективы практических применений. Сначала
плазма интересовала физиков как своеобразный проводник
электрического тока и как источник света. В настоящее время
новые методы подхода к изучению поведения плазмы органически
связаны с большими техническими проблемами наших дней, для
которых физика плазмы служит научным фундаментом. Важнейшими из
этих проблем являются управляемый ядерный синтез и
магнитогидродинамическое преобразование тепловой энергии в
электрическую. Возможно, что в недалеком будущем физика плазмы
глубоко проникнет также в ускорительную технику.
Исследование явлений, происходящих в плазме, представляет,
однако, интерес не только в связи с различными практическими
применениями. Плазма - это материальная среда, образованная
коллективом частиц, взаимодействующих друг с другом по наиболее
простым законам с помощью электростатических кулоновских сил. До
сих пор программа теоретического анализа плазменных процессов
выполнена лишь частично и в ней остается много белых пятен.
Электрические силы, связывая разноименные заряды в плазме,
обеспечивают ее квазинейтральность, т. е. приблизительное
равенство концентраций электронов и ионов. Всякое разделение
зарядов, обусловленное смещением группы электронов относительно
ионов, должно приводить к возникновению электрических полей,
стремящихся скомпенсировать созданное возмущение. Поля растут с
увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы могут
достигнуть очень больших значений. Для того чтобы оценить
напряженность полей, возникающих при нарушении нейтральности
плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло полное
разделение зарядов и внутри этого объема остались заряды только
одного знака. Приведем пример. Пусть полностью ионизованная
плазма получена из водорода, находившегося первоначально при
нормальной температуре и давлении в 1 мм рт. ст. В каждом
кубическом сантиметре такой плазмы будет примерно по 7*1011
ионов и электронов. В этом случае E ~ 1010 в/см. Поэтому, если
резкое нарушение квазинейтральности происходит в объеме с
диаметром порядка 1 мм, то электрические поля превзойдут 109
в/см и в пределах этого объема возникнет разность потенциалов
порядка 108 в. Ясно, что подобное разделение зарядов совершенно
нереально. Даже в гораздо более разреженной плазме резкое
нарушение квазинейтральности в объемах указанной величины будет
немедленно ликвидироваться возникающими электрическими полями.
Поле будет выталкивать из объема, где произошла декомпенсация
зарядов, частицы одного знака и втягивать в эту область частицы
противоположного знака. Однако, если выделить в плазме
достаточно малый объем, то в нем квазинейтральность может и не
сохраняться вследствие того, что поле, созданное избытком частиц
одного знака, окажется слишком слабым для того, чтобы
существенно повлиять на движение частиц.
Характерная длина d была впервые введена Дебаем при рассмотрении
теории сильных электролитов. В дальнейшем это понятие перенесли
в физику плазмы. Общепринято называть величину d дебаевским
радиусом, или дебаевской длиной
d ~ 7 (T/n)1/2
Здесь T - температура плазмы, которую мы принимаем одинаковой
для электронной и ионной компонент. На рисунке зависимость
величины d от плотности n показана в логарифмическом масштабе
для нескольких значений температуры. Если дебаевский радиус
характеризует пространственный масштаб областей декомпенсации,
то время, в течение которого эти области существуют, получим,
разделив d на скорость более быстрых частиц (электронов):
t=d/ve
Величина 1/t, имеющая размерность частоты, совпадает с
собственной частотой электростатических плазменных колебаний,
возникающих в плазме при смещении групп электронов из
равновесного положения. Эта частота называется плазменной.
Чем выше плотность плазмы, тем меньше масштабы декомпенсации
зарядов в пространстве и во времени. Внутри области, занятой
плотной и холодной плазмой, нарушения квазинейтральности могут
происходить только в пределах достаточно малых объемов. В редкое
и горячей плазме дебаевская длина может сделаться значительно
больше размеров области, занятой плазмой. В этом случае
реализуется независимое движение ионов и электронов и
отсутствует автоматический механизм для выравнивания зарядов
противоположных знаков.
Используя понятие о дебаевском радиусе, можно дать следующее
уточненное определение плазмы как особого состояния вещества:
собрание свободно движущихся разноименно заряженных частиц (т.е.
ионизованный газ) называется плазмой, если дебаевская длина мала
по сравнению с размерами объема, занимаемого газом. Это
определение принадлежит Ленгмюру, основоположнику учения о
плазме.
Следует сделать два замечания о введенных нами параметрах
плазмы: концентрации и температуре
1. Электронная и ионная концентрации в общем случае не должны
быть равны друг другу, так как в плазме могут присутствовать не
только однозарядные, но также многозарядные ионы. Если
обозначить через n1 концентрацию однозарядных ионов, через n2 -
концентрацию ионов с двойным зарядом и т. д., то электронная
концентрация n будет равна n1+2n2+Зn3+.... Однако в дальнейшем
будем рассматривать главным образом случаи, когда концентрации
электронов и ионов равны друг другу (это, в частности,
справедливо для чистой водородной плазмы). Учет влияния
многозарядных ионов на основные процессы в плазме обычно не
составляет трудности.
2. Введение величины Т в качестве температуры плазмы оправдано
только в том случае, если средняя кинетическая энергия
электронов и ионов одинакова. В общем случае в плазме следует
различать по меньшей мере две температуры: электронную Тe, и
ионную Тi. В плазме, которая создается в лабораторных условиях
или в технических приборах, Тe обычно значительно превосходит Тi.
Различие между Тe и Тi обусловлено громадной разницей в величине
массы электронов и ионов. Внешние источники электрического
питания, с помощью которых создается плазма при различных формах
разряда в газах, передают энергию электронной компоненте плазмы,
так как именно электроны служат носителями тока. Ионы
приобретают тепловую энергию благодаря столкновениям с быстро
движущимися электронами. При таких столкновениях относительная
доля кинетической энергии электрона, которая может быть передана
иону, не может превосходить массы электрона и иона. Поскольку
масса электрона меньше массы иона, электрон должен испытать
очень много (несколько тысяч) столкновений, чтобы полностью
отдать имеющийся у него излишек энергии.
Процесс обмена тепловой энергией между электронами и ионами в
газоразрядной плазме идет параллельно с процессом приобретения
энергии электронами от источников электрического питания и
одновременно с уходом энергии из плазмы вследствие различных
механизмов теплопередачи. В результате при электрическом разряде
обычно поддерживается большой перепад температуры между
электронами и ионами. Этот перепад, как правило, снижается при
увеличении концентрации плазмы, так как число столкновений между
электронами и ионами в заданном элементе объема плазмы растет
пропорционально квадрату концентрации.
При некоторых специальных условиях, в частности при
кратковременных импульсных разрядах, когда образуется сильно
ионизованная плазма, Тi может значительно превзойти Тe.
ВЫБЕРИТЕ СЕБЕ ОЧИСТИТЕЛЬ ВОЗДУХА
