Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
IV.3.8 ПОНЯТИЕ О ПЛАЗМЕ
415
можны сколь-либо заметные случайные отклонения от нуля суммы положительных и отрицательных зарядов, обусловленные тепловым движением ионов и электронов: V 2> D3, где D — характерный размер, называемый дебаевским радиусом экранирования.
2°. Дебаевский радиус экранирования зависит от параметров плазмы — ее термодинамической температуры Т, зарядов и концентраций электронов и ионов. Для простейшей изотермической плазмы, состоящей из электронов и однозарядных ионов, равновесные концентрации которых в силу квазинейтральности плазмы одинаковы и равны п0, дебаевский радиус экранирования
где е — элементарный заряд, E0 — электрическая постоянная, k —постоянная Больцмана.
3°. В плазме любая заряженная частица А (положительный ион или электрон) окружена преимущественно частицами, заряды которых противоположны по знаку заряду q частицы А. Соответственно потёнциал ф поля точечного заряда q убывает в плазме с расстоянием г значительно быстрее, чем в вакууме:
Приближенно можно считать, что на расстояниях r> D электростатическое поле иона или электрона в плазме практически полностью экранируется.
4°. Плазму называют идеальной (или газовой), если потенциальная энергия кулоновского взаимодействия двух заряженных частиц, находящихся на среднем
расстоянии (г) = (п0 — концентрация частиц), ма-
ла по сравнению с их средней кинетической энергией теплового движения, т. е.
Это условие выполняется, если в плазме достаточно велико дебаевское число Np — число частиц одного знака заряда, находящихся внутри сферы радиуса D:
<kT.
4пє0(г)
Nd=\ nD*n0 » I.
416
IV.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ
Термодинамические свойства идеальной плазмы хорошо описываются уравнением состояния идеального газа.
5°. Степенью ионизации плазмы а называют отношение числа ионизованных атомов к их общему числу в плазме. В зависимости от степени ионизации различают плазму слабо ионизованную (а порядка долей процента), умеренно ионизованную и полностью иони зованную (« близка к 1).
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°. Термодинамические функции плазмы и того же самого идеального газа отличаются благодаря влиянию кулоновского взаимодействия частиц плазмы. Для почти идеальной плазмы, подчиняющейся статистике Максвелла—Больцмана и состоящей из нейтральных атомов, электронов и однозарядных положительных ионов, внутренняя энергия в состоянии термодинамического равновесия при температуре T равна
где Uim — внутренняя энергия идеального газа, N — число заряженных частиц одного сорта в плазме (электронов или ионов), D —' дебаевский радиус экранирования.
Свободная энергия плазмы:
Энтропия плазмы:
Давление плазмы (термическое уравнение состояния плазмы):
Ne2
ид 12;іє 0TD
Ne2
12л e0VD
IV.3 8. ПОНЯТИЕ О ПЛАЗМЕ
417
Теплоемкость плазмы:
Ne2
8 Ut0TD
7°. Неизотермической плазмой называют термодинамически неравновесную плазму, 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 T3 и ионной температуры Тк. Эти температуры могут отличаться весьма значительно (например, в газоразрядной плазме тлеющего разряда T3 больше Tk в несколько десятков раз). В зависимости от значения ионной температуры различают низкотемпературную плазму (Ги IO5 К) и высокотемпературную плазму (T11-- IO7 К).
8°. Дебаевский радиус экранирования для неизотермической плазмы:
Здесь Qj, щ и Ti — заряд, концентрация и температура
і-го сорта частиц плазмы, k — постоянная Больцмана, E0 — электрическая постоянная, а суммирование проводится по всем сортам частиц.
В частности, для неизотермической плазмы с однозарядными ионами концентрации электронов лэ и ионов пк одинаковы и равны п0, а дебаевский радиус эранирования
Если T3 3> Ти, то D зависит только от ионной температуры плазмы.
2
-1/2
И іак. 2940
418
IV.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ
9°. Дальнодействующее кулоновское 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 высокой электропроводностью плазмы;
