Определение понятия плазмы

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/v_e

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

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 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.
2. 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 Т_e, и ионную Т_i. В плазме, которая создается в лабораторных условиях или в технических приборах, Т_e обычно значительно превосходит Т_i. Различие между Т_e и Т_i 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, Т_i может значительно превзойти Т_e.

Статья  составлена из материалов Л.А. Арцимовича А. Туктагуловым (НПФ Сапфир)
ПОЛНОЕ ИЛИ ЧАСТИЧНОЕ ЦИТИРОВАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ ЗАПРЕЩЕНО