Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
е2пУ3 сі \
—— ехр--------« кТ (в СИ).
4яе0 Впг/з) К >
Это условие выполняется, если в плазме достаточно велико дебаевское число Nd — число частиц одного знака заряда, находящихся внутри сферы радиуса D:
Nd = ITiD3Ti0 » 1.
Термодинамические свойства идеальной плазмы хорошо описываются уравнением состояния идеального газа (П. 1.4.5°).
5°. Степенью ионизации плазмы а называется отношение числа ионизованных атомов к их общему числу в плазме. В зави-
§ III.9.6. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАЗМЕ
281
симости от степени ионизации различают слабо ионизованную плазму (а порядка долей процента), умеренно ионизованную плазму и полностью ионизованную плазму (а близка к 100%).
Ионизация газа и образование плазмы может вызываться рядом процессов, таких как термическая ионизация при столкновениях атомов в достаточно сильно нагретом газе, ударная ионизация заряженными частицами (например, при электрическом разряде в газе), фотоионизация.
6°. Неизотермической плазмой называется термодинамически неравновесная плазма, в которой средние энергии теплового движения различных сортов частиц (электронов, ионов и атомов) неодинаковы. Такую плазму нельзя охарактеризовать с помощью одного определенного значения температуры. Из законов сохранения импульса и энергии следует, что при упругих столкновениях очень легких электронов с ионами и атомами, массы которых на несколько порядков больше, они практически не обмениваются энергией. Поэтому приближенно считают, что в неизотермической плазме каждый сорт частиц находится в квазиравновесном состоянии со своим значением температуры. Соответственно используют понятия электронной температуры T9 и ионной температуры Tu. Эти температуры могут отличаться весьма значительно (например, в газоразрядной плазме тлеющего разряда Ta больше Tlil в несколько десятков раз). В зависимости от значения ионной температуры различают низкотемпературную плазму (Tk < IO5 К) и высокотемпературную плазму (Тк > IO7 К).
7°. Дебаевский радиус экранирования для неизотермической плазмы
Здесь Qri, Ui и Ti — заряд, концентрация и температура і-го сорта частиц плазмы, k — постоянная Больцмана (11.1.4.5°), E0 —
(в СГС).
282
ГЛ. III.9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ
электрическая постоянная (111.1.2.2°), а суммирование проводится по всем сортам частиц.
В частности, для неизотермической плазмы с однозарядными ионами концентрации электронов пэ и ионов пи одинаковы и равны п0, а дебаевский радиус экранирования
Г EofeT11 -il/2
° + T.7F,j] ‘вСИ>-
Г кт« 11/2 д - (вСГС>-
Если Тэ^> T11, то D зависит только от ионной температуры плазмы.
8°. Кулоновское дальнодействующее взаимодействие заряженных частиц в плазме приводит к качественному своеобразию плазмы, позволяющему считать ее особым, четвертым агрегатным состоянием вещества.
Важнейшие свойства плазмы:
а) сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями, связанное с ее высокой электропроводностью;
б) специфическое коллективное взаимодействие частиц плазмы, осуществляющееся через усредненные электрические и магнитные поля, которые создают сами эти частицы;
в) благодаря коллективным взаимодействиям плазма ведет себя как своеобразная упругая среда, в которой легко возбуждаются и распространяются различного рода колебания и волны (например, ленгмюровские колебания плазмы — IV. 1.2.7°);
г) во внешнем магнитном поле плазма ведет себя как диамагнитная среда (111.12.3.2°);
д) удельная электрическая проводимость у (111.7.3.4°) полностью ионизованной плазмы не зависит от плотности плазмы и увеличивается с ростом термодинамической температуры T пропорционально T3/2 и при T > IO7 К столь велика, что плазму можно приближенно считать идеальным проводником (у —> °°).
9°. Движение плазмы в магнитном поле используется в методе прямого преобразования внутренней энергии ионизованного газа в электрическую. Этот метод осуществлен в магнито-гидродинамЬческом генераторе (МТД-генераторе), принципи-
§ III.9.6. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАЗМЕ
283
альная схема которого показана на рис. III.9.4. Сильно нагретый ионизованный газ, образующийся в результате сгорания топлива и обогащения продуктов сгорания парами щелочных металлов, которые способствуют повышению степени ионизации газа, проходит через сопло и расширяется в нем. При этом часть внутренней энергии газа преобразуется в его кинетическую энергию. В поперечном магнитном поле (на рис. ІП.9.4 вектор В магнитной индукции поля направлен за плоскость чертежа) положительные ионы отклоняются под действием сил Лоренца (111.10.1.5°) к верхнему электроду А, а свободные электроны — к нижнему электроду К. При замыкании электродов на внешнюю нагрузку в ней идет электрический ток, направленный от анода А МГД-генератора к его катоду К.
10°. Плазма — наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Солнце и другие звезды состоят из полностью ионизованной высокотемпературной плазмы. Основной источник энергии излучения звезд — термодинамические реакции синтеза, протекающие в недрах звезд при огромных температурах порядка IO7 -г IO9 К. Холодные туманности и межзвездная среда также находятся в плазменном состоянии. Они представляют собой низкотемпературную плазму, ионизация которой происходит главным образом путем фотоионизации под действием ультрафиолетового излучения звезд. В околоземном пространстве слабоионизованная плазма находится в радиационных поясах и ионосфере Земли. С процессами, происходящими в этой плазме, связаны такие явления, как магнитные бури, нарушения дальней радиосвязи и полярные сияния.
