Плазмой называется ионизованный газ, в котором атомы (все или значительная часть из них) потеряли по одному или по несколько принадлежавших им электронов и превратились в положительные ионы. Это - предварительное определение плазмы как особого состояния вещества; более точное определение дано несколько ниже.
В общем случае плазма представляет собой смесь трех компонент и содержит свободные электроны, положительные ионы и нейтральные атомы (или молекулы).
Плазма - это наиболее распространенное состояние вещества в природе. Солнце и звезды можно рассматривать как гигантские сгустки горячей плазмы. Внешняя поверхность земной атмосферы прикрыта плазменной оболочкой - ионосферой. Радиационные пояса, расположенные в околоземном пространстве, за пределами ионосферы, представляют собой весьма разреженные плазменные образования. В земных природных условиях, в лабораториях и в технике мы встречаемся с плазмой при различных газовых разрядах, так как любой газовый разряд (молния, искра, дуга и т. д.) связан с возникновением плазмы.
Роль главных стимулов в развитии исследований по физике плазмы всегда играли перспективы практических применений. Сначала плазма интересовала физиков как своеобразный проводник электрического тока и как источник света. В настоящее время новые методы подхода к изучению поведения плазмы органически связаны с большими техническими проблемами наших дней, для которых физика плазмы служит научным фундаментом. Важнейшими из этих проблем являются управляемый ядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование тепловой энергии в электрическую. Возможно, что в недалеком будущем физика плазмы глубоко проникнет также в ускорительную технику.
Исследование явлений, происходящих в плазме, представляет, однако, интерес не только в связи с различными практическими применениями. Плазма - это материальная среда, образованная коллективом частиц, взаимодействующих друг с другом по наиболее простым законам с помощью электростатических кулоновских сил. До сих пор программа теоретического анализа плазменных процессов выполнена лишь частично и в ней остается много белых пятен.
Электрические силы, связывая разноименные заряды в плазме, обеспечивают ее квазинейтральность, т. е. приблизительное равенство концентраций электронов и ионов. Всякое разделение зарядов, обусловленное смещением группы электронов относительно ионов, должно приводить к возникновению электрических полей, стремящихся скомпенсировать созданное возмущение. Поля растут с увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы могут достигнуть очень больших значений. Для того чтобы оценить напряженность полей, возникающих при нарушении нейтральности плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло полное разделение зарядов и внутри этого объема остались заряды только одного знака. Приведем пример. Пусть полностью ионизованная плазма получена из водорода, находившегося первоначально при нормальной температуре и давлении в 1 мм рт. ст. В каждом кубическом сантиметре такой плазмы будет примерно по 7*1011 ионов и электронов. В этом случае E ~ 1010 в/см. Поэтому, если резкое нарушение квазинейтральности происходит в объеме с диаметром порядка 1 мм, то электрические поля превзойдут 109 в/см и в пределах этого объема возникнет разность потенциалов порядка 108 в. Ясно, что подобное разделение зарядов совершенно нереально. Даже в гораздо более разреженной плазме резкое нарушение квазинейтральности в объемах указанной величины 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 объем, то в нем квазинейтральность может и не сохраняться вследствие того, что поле, созданное избытком частиц одного знака, окажется слишком слабым для того, чтобы существенно повлиять на движение частиц.
Характерная длина d была впервые введена Дебаем при рассмотрении теории сильных электролитов. В дальнейшем это понятие перенесли в физику плазмы. Общепринято называть величину d дебаевским радиусом, или дебаевской длиной
d ~ 7 (T/n)1/2
Здесь T - температура плазмы, которую мы принимаем одинаковой для электронной и ионной компонент. На рисунке зависимость величины d от плотности n показана в логарифмическом масштабе для нескольких значений температуры. Если дебаевский радиус характеризует пространственный масштаб областей декомпенсации, то время, в течение которого эти области существуют, получим, разделив d на скорость более быстрых частиц (электронов):
t=d/ve
Величина 1/t, имеющая размерность частоты, совпадает с собственной частотой электростатических плазменных колебаний, возникающих в плазме при смещении групп электронов из равновесного положения. Эта частота называется плазменной.
Чем выше плотность плазмы, тем меньше масштабы декомпенсации зарядов в пространстве и во времени. Внутри области, занятой плотной и холодной плазмой, нарушения квазинейтральности могут происходить только в пределах достаточно малых объемов. В редкое и горячей плазме дебаевская длина может сделаться значительно больше размеров области, занятой плазмой. В этом случае реализуется независимое движение ионов и электронов и отсутствует автоматический механизм для выравнивания зарядов противоположных знаков.
Используя понятие о дебаевском радиусе, можно дать следующее уточненное определение плазмы как особого состояния вещества: собрание свободно движущихся разноименно заряженных частиц (т.е. ионизованный газ) называется плазмой, если дебаевская длина мала по сравнению с размерами объема, занимаемого газом. Это определение принадлежит Ленгмюру, основоположнику учения о плазме.
Следует сделать два замечания о введенных нами параметрах плазмы: концентрации и температуре
- Электронная и ионная концентрации в общем случае не должны быть равны друг другу, так как в плазме могут присутствовать не только однозарядные, но также многозарядные ионы. Если обозначить через n1 концентрацию однозарядных ионов, через n2 - концентрацию ионов с двойным зарядом и т. д., то электронная концентрация n будет равна n1+2n2+Зn3+.... Однако в дальнейшем будем рассматривать главным образом случаи, когда концентрации электронов и ионов равны друг другу (это, в частности, справедливо для чистой водородной плазмы). Учет влияния многозарядных ионов на основные процессы в плазме обычно не составляет трудности.
- Введение величины Т в качестве температуры плазмы оправдано только в том случае, если средняя кинетическая энергия электронов и ионов одинакова. В общем случае в плазме следует различать по меньшей мере две температуры: электронную Тe, и ионную Тi. В плазме, которая создается в лабораторных условиях или в технических приборах, Тe обычно значительно превосходит Тi. Различие между Тe и Тi обусловлено громадной разницей в величине массы электронов и ионов. Внешние источники электрического питания, с помощью которых создается плазма при различных формах разряда в газах, передают энергию электронной компоненте плазмы, так как именно электроны служат носителями тока. Ионы приобретают тепловую энергию благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами. При таких столкновениях относительная доля кинетической энергии электрона, которая может быть передана иону, не может превосходить массы электрона и иона. Поскольку масса электрона меньше массы иона, электрон должен испытать очень много (несколько тысяч) столкновений, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии.
Процесс обмена тепловой энергией между электронами и ионами в газоразрядной плазме идет параллельно с процессом приобретения энергии электронами от источников электрического питания и одновременно с уходом энергии из плазмы вследствие различных механизмов теплопередачи. В результате при электрическом разряде обычно поддерживается большой перепад температуры между электронами и ионами. Этот перепад, как правило, снижается при увеличении концентрации плазмы, так как число столкновений между электронами и ионами в заданном элементе объема плазмы растет пропорционально квадрату концентрации.
При некоторых специальных условиях, в частности при кратковременных импульсных разрядах, когда образуется сильно ионизованная плазма, Тi может значительно превзойти Тe.
Статья составлена из материалов Л.А. Арцимовича А. Туктагуловым (НПФ Сапфир)
ПОЛНОЕ ИЛИ ЧАСТИЧНОЕ ЦИТИРОВАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ ЗАПРЕЩЕНО