§ 84. Газоразрядная плазма

Некоторые виды самостоятельного разряда характеризуются очень высокой степенью ионизации газа. Газ в сильно ионизированном состоянии при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен (или почти равен) нулю, называется плазмой. Плазма представляет собой особое состояние вещества. В таком состоянии находится вещество в недрах Солнца и других звезд, обладающих температурой в десятки миллионов градусов. Плазма, возникшая вследствие высокой температуры вещества, называется высокотемпературной (или изотермической). Плазма, возникающая при газовом разряде, называется газоразрядной.

Для того чтобы плазма находилась в стационарном состоянии, необходимо наличие процессов, восполняющих убыль ионов в результате рекомбинации. В высокотемпературной плазме это осуществляется за счет термической ионизации, в газоразрядной плазме — за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электрическим полем. Особую разновидность плазмы представляет собой ионосфера (один из слоев атмосферы). Высокая степень ионизации молекул (~1%) поддерживается в ионосфере за счет фотоионизации, обусловленной коротковолновым излучением Солнца.

Электроны в газоразрядной плазме участвуют в двух движениях — хаотическом с некоторой средней скоростью и упорядоченном движении в направлении, противоположном Е, со средней скоростью гораздо меньшей, чем .

Рис. 84.1.

Докажем, что электрическое поле не только обусловливает упорядоченное, движение электронов плазмы, но и увеличивает скорость их хаотического движения. Пусть в момент включения поля в газе имеется некоторое количество электронов, средняя скорость которых соответствует температуре газа За время между двумя последовательными соударениями с молекулами электрон проходит в среднем путь К (рис. 84.1; траектория электрона слегка искривлена под действием силы ). При этом поле совершает над ним работу

где проекция перемещения электрона на направление действующей на него силы. Вследствие соударений с молекулами направление движения электрона все время изменяется случайным образом. Соответственно изменяется величина и знак Поэтому работа (84.1) для отдельных участков траектории имеет неодинаковую величину и разный знак. На одних участках поле увеличивает энергию электрона, на других уменьшает. Если бы упорядоченное движение электронов отсутствовало, среднее значение а следовательно и работы (84.1), было бы равно нулю. Однако наличие упорядоченного движения приводит к тому, что среднее значение работы А отлично от нуля и притом положительно. Оно равно

где — средняя продолжительность свободного пробега электронов

Таким образом, поле в среднем увеличивает энергию электронов. Правда, электрон, столкнувшись с молекулой, передает ей часть своей энергии. Но, как мы выяснили в предыдущем параграфе, относительная доля переданной при упругом ударе энергии очень мала — она в среднем равна ( — масса электрона, М — масса молекулы).

В разреженном газе (в котором Ябольше) и при достаточно большой напряженности поля Е работа (84.2) может превзойти энергию передаваемую в среднем молекуле при каждом столкновении. В результате энергия хаотического движения электронов будет расти. В конце концов она достигнет значения, достаточного для того, чтобы возбудить или ионизировать молекулу. Начиная с этого момента, часть соударений перестает быть упругой и сопровождается большой потерей энергии. Поэтому средняя доля передаваемой энергии увеличивается.

Итак, энергию, необходимую для ионизации, электроны приобретают не за один свободный пробег, а постепенно накапливают ее на протяжении ряда пробегов. Ионизация приводит к возникновению большого количества электронов и положительных ионов — возникает плазма.

Энергия электронов плазмы определяется условием, что среднее значение работы, совершаемой полем над электроном за один свободный пробег, равно среднему значению энергии, отдаваемой электроном при соударении с молекулой:

Здесь есть сложная функция скорости .

Опыт дает, что для электронов в газоразрядной плазме имеет место максвелловское распределение по скоростям. Вследствие слабого взаимодействия электронов с молекулами (при упругом ударе б очень мало, а относительное количество неупругих соударений незначительно) средняя скорость хаотического движения электронов оказывается во много раз больше скоростй, соответствующей температуре газа Если ввести температуру электронов определив ее из соотношения

то для получается значение порядка нескольких десятков тысяч кельвин. Несовпадение температур и , свидетельствует о том, что между электронами и молекулами в газоразрядной плазме нет термодинамического равновесия.

Концентрация носителей тока в плазме очень велика. Поэтому плазма обладает хорошей проводимостью. Подвижность электронов примерно на три порядка больше, чем у ионов, вследствие чего ток в плазме создается в основном электронами.