Главная > ФИЗИКА МАКРОСИСТЕМ. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ (И.Е.Иродов)
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

Повседневно мы встречаемся с веществом, находящемся в трех состояниях — газообразном, жидком и твердом. Вместе с тем существует и четвертое состояние вещества — плазма.

Плазма — это ионизированный квазинейтральный газ. Квазинейтральность газа означает, что число зарядов противоположных знаков в нем почти одинаково. Отношение числа ионизированных атомов к их полному числу в том же объеме называют степенью ионизации плазмы α. В зависимости от значения степени ионизации, говорят о слабой, сильной и полностью ионизированной плазме. Плазмой может быть состояние с α103.

Сначала плазма вызывала интерес как особый проводник электрического тока и как источник света (газоразрядные лампы). Положение существенно изменилось в связи с пониманием роли плазмы во Вселенной, подавляющая часть которой (звезды и межзвездная среда) являются плазмой, а также в связи с возможностью создания принципиально новых источников энергии — управляемого термоядерного синтеза, преобразования энергии плазмы непосредственно в электрическую (в магнитогидродинамических генераторах).
Отметим основные особенности и свойства плазмы.
1. Дебаевский радиус rD — это характерный линейный размер области зарядовой декомпенсации в плазме. Из расчета следует, что
rD=kT/ϰne2,

где x=1/ε0 (СИ) и 4π (СГС), k — постоянная Больцмана, T температура, n — концентрация электронов. Дебаевский радиус характеризует расстояние, на котором плазма экранирует себл от локального избытка заряда. Это надо понимать так.

Допустим, в плазме оказался некоторый заряд q>0. Ближайшие к нему электроны плазмы будут им притягиваться, а ионы, наоборот, отталкиваться. В результате вокруг заряда q возникнет сферически симметричное электронное облако. Оно будет экранировать заряд q от расположенной вокруг плазмы, так что на некотором удалении от заряда q поле, образованное этим зарядом и электронным облаком, будет исчезающе малым. Это расстояние практически равно радиусу электронного облака, т.е. размеру области, в пределах которой сказывается действие заряда q. Радиус этой области порядка дебаевского радиуса rD.

Оказывается, плазма экранирует не только действие помещенного в нее заряда, но и внешнее электрическое поле. Последнее проникает в плазму на расстояние тоже порядка дебаевского радиуса.
2. Условие квазинейтральности. Чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус rD. И только при соблюдении квазинейтральности плазма ведет себя как связанный коллектив заряженных частиц. Это значит, что в плазме одновременно взаимодействует громадное число частиц, в отличие от обычных газов, где частицы взаимодействуют друг с другом в основном только при столкновениях. Этим свойством плазма обязана дальнодействию кулоновских сил, вовлекающих во взаимодействие множество частиц. С этим связана возможность разнообразных коллективных колебаний плазмы.
3. Плазменные колебания. В отличие от обычного газа, где тепловые флуктуации развиваются беспорядочно и могут заполнить весь объем газа, в плазме флуктуационное нарушение нейтральности жестко локализовано в достаточно малом объеме. При нарушении электронейтральности в какой-либо области плазмы в ней возникает электрическое поле и следствием этого — продольные колебания зарядов с некоторой частотой ωпл . Ее называют плазменной частотой. Расчет показывает (см. решение задачи 5.11), что для электронов
ωпл = иn e2/m,

где x=1/ε0 в СИ и 4π в СГС, m масса электрона, n их концентрация.

Эти так называемые плазменные колебания довольно быстро затухают в результате столкновений электронов с ионами. Они не имеют волнового характера, т.е. не распространяются по плазме. Плазменные колебания — это тот механизм, с помощью которого в плазме происходит выравнивание плотностей разноименных зарядов.
4. Температура плазмы. Большое различие масс электронов и ионов делает возможным существование квазиравновесных состояний плазмы, которые могут быть охарактеризованы двумя температурами — электронной Te и ионной Ti. Например, при получении плазмы с помощью газового разряда энергия от источника питания передается в основном электронам как наиболее подвижным частицам. Ионы же набирают энергию во вторичных процессах столкновений с электронами. Необходимое для выравнивания энергий число столкновений должно быть не менее нескольких тысяч на каждый ион.

Если такую плазму предоставить самой себе, то сначала установится максвелловское распределение скоростей электронов, затем — ионов. Возникает квазиравновесное состояние, в котором электроны будут иметь температуру Te, а ионы Ti, причем TeTi. Затем в результате обмена энергиями между электронами и ионами устанавливается максвелловское распределение для всей плазмы, т.е. общая температура электронов и ионов. Такую плазму называют изотермической.
5. Идеальная плазма. Так называют плазму, у которой средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их средней кинетической энергией. Поэтому тепловое движение частиц в плазме и идеальном газе обладает большим сходством, и термодинамические свойства такой плазмы достаточно хорошо описываются уравнением состояния идеального газа: p=nkT.
6. Проводимость плазмы σ. Она описывается той же формулой (4.18), где τ — время релаксации плазменных электронов. Подстановка числовых значений входящих в эту формулу величин приводит к простому выражению для оценки проводимости плазмы (в СИ):
σ103T3/2,OM1M1.

Благодаря быстрому увеличению σ плазмы с ростом температуры T достаточно разогретая плазма становится хорошим проводником.
7. Плазма в магнитном поле. Наиболее важный практический интерес, который представляет физика плазмы, связан с решением проблемы управляемого термоядерного синтеза. Для осуществления термоядерных реакций водородную плазму необходимо нагреть до температуры не менее 108 K. Поддержание столь высокой температуры невозможно при соприкосновении плазмы со стенками камеры, в которой она находится. Избежать этого дает возможность так называемая магнитная термоизоляция: плазму помещают в сильное магнитное поле (например, тороидальное), препятствующее ионам и электронам перемещаться в поперечном направлении и уходить на стенки камеры. Известно, что заряженные частицы в сильном магнитном поле движутся по винтовым траекториям, которые \»обвивают\» линии вектора В.

Основная трудность в решении этой проблемы связана с получением устойчивой плазмы. Проблема оказалась чрезвычайно сложной и до сих пор окончательно не решена.

1
Оглавление
email@scask.ru