Учебник - Физика плазмы для физиков - Арцимович Л.А. (1239321), страница 2
Текст из файла (страница 2)
ла плазма интересовала физиков как своеобразный проводник электрического тока и как источник света. В настоящее время надо рассматривать физические свойства .плазмы под другими углами зрения, и тогда плазма предстанет перед нами в новом облике. Во-первых, плазма — это естественное состояние вещества, нагретого до очень высокой температуры, и, во-вторых, это динамическая система — объект приложения электромагнитных сил. Новые методы подхода к изучению поведения плазмы органически связаны с большими техническими проблемами, для которых физика плазмы служит научным фундаментом. Важнейшими из них являются управляемый термоядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование тепловой энергии в электрическую. Возможно, что в недалеком будущем физика плазмы глубоко проникнет также в ускорительную технику.
б Однако исследование явлений, происходящих в плазме, представляет интерес не только в связи с различными практическими применениями, Плазма — это материальная среда, образованная коллективом частиц, которые взаимодействуют друг с другом по наиболее простым законам — с помощью электростатических кулоновских снл. Физик обязан, исходя из известной микроструктуры плазмы, объяснить механизм различных процессов, которые происходят в этой среде.
Исходные теоретические положения в данном случае обладают исключительной прозрачностью. Как правило, мы находимся здесь в рамках классической физики, так как квантовые эффекты для обычной плазмы не играют сколько-нибудь заметной роли. Главные усилия экспериментальных исследований в настоящее время направлены на разработку методов получения плазмы со все более высокими параметрами: высокой температурой и большой плотностью. Мы сами создаем объект исследований — вы с окотемпературную плазму, стараясь обеспечить для нее оптимальные условия существования, при которых плазма находится в квазистационаряом, устойчивом состоянии. Прежде чем изучать этот вопрос дальше, уточним определение понятия плазмы.
Электрические силы, связывая разноименные заряды в плазме, обеспечивают ее к в а зине й тр а ль ность, т, е. приблизительное равенство концентрации электронов и ионов. Всякое разделение зарядов, обусловленное смещением группы электронов относительно ионов, должно приводить к возникновению электрических полей, которые стремятся скомпенсировать созданное возмущение; эти поля растут с увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы могут достигать очень больших значений. Для оценки напряженности .поля, возникающего при нарушении нейтральности плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло полное разделение зарядов и внутри этого объема остались только заряды одного знака.
Электрическое поле в рассматриваемой области удовлетворяет уравнению Пуассона 41ч Е= =4пр, где р — плотность электрического заряда. Если линейные размеры области масштаба х, а концентрация заряженных частиц в плазме равна п, то д1ч Е -Е/х--4ппв и, следовательно, Е4ппех. Потенциал плазмы в области разделения зарядов изменится на Ч~ Ех 4ипех'. Рассмотрим пример.
Пусть полностью ионизованная плазма получена из водорода, находящегося первоначально при нормальной температуре и давлении 1 мм рт. ст. В каждом кубическом сантиметре такой, плазмы будет по 7 10" ионов и электронов. Поэтому если резкое нарушение квазинейтральности произойдет в объеме с характерным размером порядка 1 мм, то электрическое поле превзойдет 10" В1см, и в пределах этого объема возникнет разность потенциалов порядка 10' В. Ясно, что подобное разделение зарядов совершенно нереально.
Даже в гораздо более разрежен- 7 ной плазме резкое нарушение квазнн йтральности в указанных объемах 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 обьем, то в нем квазинсйтральность может и не сохраниться, гак как поле, созданное избытком частиц одного знака, окажется слишком слабым для того, чтобы сущесгвенно повлиять' на движение частиц. Прн заданных концентрации и температуре плазмы имеется характерный линейный масштаб гр, удовлетворяющий следующему условию: если х«гп, то в пределах объема с линейным размером х разделение зарядов происходит без существенного влияния на движение частиц, если же х))гп, то конценгра.гни частиц противоположных знаков в указанном объеме почти одинаковы.
Характерную длину гп можно оценить следующим образом. В области с линейным размером гп потенциальная энергия заряженной частицы прп полном разделении зарядов по порядку величины равна энергии теплового двнйгсния частиц Т"'. Итак, можно привести оценку потенциальной энергии: ?)=сср 4лпезгап Т. Следовательно, гп — ( Т? 4ипсз) 1гз. Ту жс величину го получаем рассматривая экранпрование электрического поля в плазме.
Допустим, что в плазму введен «пробный» точечный заряд д. Па достаточно малом расстоянии г от этого заряда потенциал будет равен г?гг. Однако на больших расстояниях ход потенциальной функции изменится вследствие поляризация плазмы, вызываемой полем заряда д. При установившемся статистическом равновесии пространственное распределение электронов н ионов в окрестности пробного заряда определяется законом Больцмана л ехр( †??/Т). Здесь ?? имеет противополонсный знак для элекгронов и ионов. Как нетрудно видеть, возникающая поляризация должна привести к экранировке электрического поля в рассмагрнваемой области. Вблизи пробно~о заряда, т.
с. при относительно большом абсолютном значении отношения г??Т, концентрация частяц с противоположным знаком заряда более высокая. Это должно привести к резкому ослаблению электрического поля. Расчет, основанный на совместном использовании уравнения Пуассона и закона Больцмана, показывает, что на больших расстояниях от заряда г? потенциал Тепловую энергию частиц плазмы естественно измерить в злектронвольтах. В таком случае и температуру плазмы удобно выражать в электроивольтах: Т1зВ)=ТГград)?11600. При таком обозначении температура совпадает с величиной, характеризующей тепловую энергию частиц.
В дальнейшем под Т будем понимать температуру плазмы, выраженную в злектронвольтах, а нод Т— температуру плазмы в кельвниах. 8 убывает экспонснциально, а область существования сильного электрического ноля вокруг д ограничена сферой с радиусом порядка гр, Характерная длина экранирования впервые введена Дебаем при рассмотрении сильных электролитов. В дальнейшем это понятие было перенесено в фнзику плазмы. Величину го=(Т14ипе') оа 11.1) принято называть дебаевскнм радиусом нли дебаевс к о й д л и н о й. Если дебаевский радиус характеризует пространственный масштаб областей декомпенсации заряда, то время, в течение которого эти области существуют, можно найти, разделив гп на скорость более быстрых частиц (электронов): 1 гр/ю,=(Т14япе') ыз(т,|Т) из=(т14ппе') ыз. Чем выше плотность плазмы, тем меньше масштабы декомпенсации зарядов в пространстве и во времени.
Внутри области, занятой плотной н холодной плазмой, нарушения квазинейтральности могут происходить только в пределах достаточно малых объемов. В редкой н горячей плазме дебаевская длина может оказаться значительно больше размеров области, занятой плазмой. В этом случае реализуется независимое движение электронов и ионов и отсутствует механизм для автоматического выравнивания концентраций зарядов противоположных знаков. Используя понятие о дебаевской длине, уточним определение плазмы как особого состояния вещества.
Собрание свободно движущихся разнонменно заряженных частиц, т. е. и о н и з о в а ин ы й г а з, называется п л а з м о й, если дебаевская длина мала по сравнению с объемом, занимаемым газом. Это определение принадлежит Ленгмюру, основоположнику учения о плазме. Следует сделать два замечания о введенных здесь 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 н многозарядные ионы. Пусть п~ — концентрация однозарядных ионов, пз — концентрация ионов с двойным зарядом и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
