Студопедия — Обнинск 2010
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Обнинск 2010






МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ОБНИНСКИЙ ИНСИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ – ФИЛИАЛ НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЯДЕРНОГО УНИВЕРСИТЕТА «МИФИ»

Физико-энергетический факультет

В.Л. Шаблов, В.А. РЫКОВ

 

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

 

 

Учебное пособие по курсу

«Физика плазмы»

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом института

Обнинск 2010

УДК 621.039.5

 

Шаблов В.Л., Рыков В.А. Введение в физику низкотемпературной плазмы: Учебное пособие по курсу «Физика плазмы». – Обнинск: ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 2010. – 47 с.

 

Учебное пособие предназначено для студентов 3-го курса, изучающих дисциплину «Физика плазмы», и содержит материалы относящиеся к основам физики плазмы. Описаны элементарные процессы в плазме, основные характеристики плазмы (плазменная частота и дебаевский радиус), движение частиц плазмы в электрических и магнитных полях, условия осуществления управляемого термоядерного синтеза.

 

 

Илл. 8, библиогр. 12 назв.

 

Рецензенты: д.ф.- м.н. О.Ф. Кухарчук

к.ф.- м.н. В.А. Шакиров

 

Темплан 2010, поз. 22

 

© ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 2010 г.

© В.Л. Шаблов, В.А. Рыков, 2010 г.

       
   
 
 

1. Основные понятия физики плазмы

 


Физический энциклопедический словарь дает следующее определение: плазма – частично или полностью ионизованный газ, в котором концентрации свободных положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Положительно заряженными частицами в плазме всегда являются ионы, отрицательно заряженными – обычно электроны, хотя в небольших концентрациях (по сравнению с концентрацией электронов) могут присутствовать отрицательные ионы, образующиеся в результате «прилипания» электронов к атомам или молекулам. Условие равенства концентраций положительных и отрицательных носителей зарядов выражается термином «квазинейтральность», означающим, что плазма является электрически нейтральной системой в достаточно больших объемах или за достаточно большие промежутки времени. По этой причине плазмой (в широком смысле) называют квазинейтральную систему, содержащую положительно и отрицательно заряженные свободные частицы, включая как ионизованные газы, так и другие системы, обладающие характерными для плазмы свойствами, например, совокупности электронов и дырок в полупроводниках, называемые полупроводниковой плазмой. В дальнейшем мы будем иметь дело с «газовой» плазмой.

Степенью ионизации плазмы называют отношение числа ионизованных атомов (молекул) к их начальному числу в единице объема плазмы. В общем случае в плазме присутствуют однозарядные ионы (с концентрацией n 1), двухзарядные (с концентрацией n 2) и т.д., так что концентрация ионизованных атомов равна ni = n 1 + n 2 +…. Следовательно, степень ионизации

, (1)

где n нач – начальная (до возникновения процесса ионизации) концентрация атомов. При этом, очевидно, условие квазинейтральности плазмы приводит к следующему выражению для концентрации электронов:

nе n 1+ 2 n 2+…. (2)

Соотношение (2) приближенное, поскольку в нем не учитывается возможное наличие в плазме отрицательных ионов.

В зависимости от степени ионизации говорят о слабо-, сильно- и полностью ионизованной плазме. В полностью ионизованной плазме степень ионизации стремится к единице, слабоионизованная характеризуется малым числом.

В состоянии плазмы находится большая часть веществ во Вселенной – звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Например, Солнце и многие звезды представляют собой гигантские сгустки высокотемпературной плазмы (что понимать под высокотемпературной плазмой, будет сказано чуть позже). Плазма существует в космосе в виде солнечного ветра. Верхний атмосферный слой Земли также образован из плазмы – это так называемая ионосфера. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва и т.д.

Хотя в большинстве случаев плазма – это газ с определенной степенью ионизации, ее свойства сильно отличаются от свойств обычных газовых смесей, вследствие чего ее часто называют четвертым состоянием вещества. В отличие от неионизованных газов, все частицы которых имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию теплового движения (независимо от принадлежности к тому или иному компоненту газовой смеси), частицы плазмы – электроны, ионы и «нейтралы» – имеют различные средние кинетические энергии. Как правило, электроны обладают более высокими энергиями, чем ионы, кинетическая энергия которых в свою очередь может превышать кинетическую энергию нейтральных атомов и молекул.

Другими словами, плазма представляет собой смесь компонент (теперь это слово женского рода) с различными температурами: вместо одной общей температуры Т следует различать три разные температуры – электронную Те, ионную Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы разных сортов) и температуру нейтральных атомов Т 0. Обычно Те Тi > Т 0. Например, в газоразрядных приборах (лампы дневного света, рекламные трубки и т.д.) величина Те лежит в диапазоне нескольких десятков тысяч градусов, в то время как Тi и Т 0 не превышают одной – двух тысяч градусов. Такое большое различие между Те и Тi характерно для большинства форм газового разряда, вызвано огромной разницей в массах электронов и ионов. В классическом газовом разряде плазма возникает между проводящими металлическими электродами, создающими в плазме электрическое поле. Энергия этого поля передается непосредственно электронам, так как именно они являются носителями тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря быстро движущимся электронам, причем в силу большого различия масс относительная доля передаваемой при столкновении энергии составляет примерно 1:1840 А, где А – атомный вес вещества, к которому принадлежат ионы (напомним, что максимальная доля кинетической энергии, которая может быть передана легкой частицей массы m 1 при столкновении с тяжелой частицей с массой m 2, не может превысить , причем такой результат достигается при центральном упругом столкновении). Это означает, что электрон должен испытать несколько тысяч столкновений с ионами, чтобы их энергии сравнялись. Однако одновременно с процессами обмена энергиями между электронами и ионами идет процесс приобретения электронами энергии от источников электрического тока, поддерживающего разряд, а потому в плазме газового разряда обычно и поддерживается большое различие между Те и Тi. При дуговом разряде, примером которого является электросварка, плазма имеет большую плотность, что увеличивает частоту столкновений и способствует выравниванию разности между электронной и ионной температурами.

Таким образом, в плазме очень часто приходится иметь дело с частичным термодинамическим равновесием. Это явление характерно для не слишком плотной плазмы, в которой длительное время электронная и ионная компоненты характеризуются своими температурами. При высокой плотности всякая плазма достаточно быстро приходит в состояние полного термодинамического равновесия, в котором Те = Тi. Такая плазма называется изотермической.

Возможные значения плотности плазмы n лежат в очень широком диапазоне: от n ~106 см-3 в космическом пространстве и n ≈10 см-3 в солнечном ветре до n ~1022 см-3 для твердотельной плазмы и еще больших значений во внутренних областях звезд.

Если температура газа, который переходит в состояние плазмы, не превышает 105 К, то говорят о низкотемпературной плазме, а при температурах, более 106 К – о высокотемпературной. Это условное разделение связано с тем, что проблему осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС) предлагается решать в высокотемпературной плазме.

 







Дата добавления: 2015-08-30; просмотров: 614. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Ситуация 26. ПРОВЕРЕНО МИНЗДРАВОМ   Станислав Свердлов закончил российско-американский факультет менеджмента Томского государственного университета...

Различия в философии античности, средневековья и Возрождения ♦Венцом античной философии было: Единое Благо, Мировой Ум, Мировая Душа, Космос...

Характерные черты немецкой классической философии 1. Особое понимание роли философии в истории человечества, в развитии мировой культуры. Классические немецкие философы полагали, что философия призвана быть критической совестью культуры, «душой» культуры. 2. Исследовались не только человеческая...

Алгоритм выполнения манипуляции Приемы наружного акушерского исследования. Приемы Леопольда – Левицкого. Цель...

ИГРЫ НА ТАКТИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Методические рекомендации по проведению игр на тактильное взаимодействие...

Реформы П.А.Столыпина Сегодня уже никто не сомневается в том, что экономическая политика П...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия