В лабораторных опытах, и в технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа, являются носителями этого тока. С прохождением тока неразрывно связан сам процесс ионизации. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, а степень ионизации поддерживается на определённом уровне. Разряд в люминесцентной лампе дневного света, молния, электрическая дуга- во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме.

Между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является равновесной в термическом отношении. Она нагревается за счёт энергии, выделяющейся в результате прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые её окружают. Кроме того, такая плазма состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых: одной из этих компонент являются электроны, другой — положительные ионы и третьей — нейтральные атомы. Как и кислород и азот в атмосфере, они равномерно перемешаны между собой.

В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Гораздо более высокими энергиями, чем ионы, обладаю электроны, а кинетическая энергия ионов превышает энергию нейтральных атомов и молекул. Таким образом, плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами.

Средняя величина кинетической энергии W_T беспорядочного теплового движения W связана с температурой T следующим соотношением:

где k — так называемая постоянная Больцмана, равная 1,38Чэрг/град. В плазме, вместо одной общей температуры, из-за различия в величине средней кинетической энергии электронов, ионов и нейтральных частиц различают три: электронную T_e, ионную T_i и атомную T₀. Обычно T_e>> T_i > T_0,где «>>» означает «во много раз больше». Очень большое различие между T_eи T_i, характерное для большинства форм газового разряда, объясняется громадной разницей в величине массы электронов и ионов.

Потому что лёгкие электроны являются носителями электрического тока, внешние источники электрической энергии, с помощью которых создаётся и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы. Благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами ионы приобретают свою энергию. При каждом отдельном столкновении из-за большого различия в массе лёгкий электрон передаёт иону лишь небольшую часть своей кинетической энергии. Проанализировав, закон сохранения энергии и закон сохранения суммарного количества движения, можно увидеть, что если тело малой массы m сталкивается упруго с телом во много раз большей массы M, то относительная доля кинетической энергии, которую легкое тело в состоянии передать тяжёлому, не может превысить . Отношение массы электрона к массе иона равно 1: 1840 A, где A — атомный вес вещества, которому принадлежат ионы, поэтому наибольшая величина, передаваемой энергии составляет всего лишь . Для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии, электрон должен испытать очень много столкновений с ионами.

Параллельно процессам, при которых происходит обмен энергией между электронами и ионами, идёт процесс приобретения энергии электронами от источников электрического тока, питающего разряд, в плазме при газовом разряде всё время поддерживается большой перепад температур между электронами и ионами. Так, например, в упоминавшихся выше газоразрядных приборах величина T_e обычно лежит в пределах нескольких десятков тысяч градусов, в то время как величины T_i и T₀ не превышают одной-двух тысяч градусов. При дуговом разряде, который используется в электросварке, электронная и ионная температуры ближе друг к другу вследствие того, что в этом случае разряд происходит в газе с большой плотностью и частые столкновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность температур. При некоторых специальных условиях в сильно ионизированной плазме ионная температура может значительно превысить электронную. Такие условия возникают, например, при кратковременных разрядах большой мощности в экспериментальных установках. Например, можно взять угольные электроды, создать высокое давление, и подвести ток большой силы. В этом случае в узком межэлектродном пространстве возникнет сильно ионизированная плазма при температуре 50 000 K.

1. Особенности движения

частиц плазмы.

Рассмотрим особенности движения частиц плазмы.

Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. А движение частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем или запирать в магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

5.1 Квазинейтральность плазмы.

Даже если плазма образуется в результате ионизации химически простого газа, например азота, кислорода или паров ртути, её ионная компонента будет содержать ионы различных сортов — с одним, двумя, тремя или более электронными зарядами.

Кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, нейтральные атомы и молекулы. Каждая из этих компонент характеризуется своей концентрацией n и температурой T. В общем случае, когда в плазме присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n₁, двухзарядные — с концентрацией n₂, трёхзарядные — с концентрацией n₃ и т. д., можно записать равенство:n_e = n₁ + 2n₂ + 3n₃ + …

Из этого соотношение между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме можно утверждать о том, что плазма в целом квазинейтральна — в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого. Это свойство плазмы оно имеет существенное значение и в нём содержится само определение понятия «плазма».



← ctrl Пред. След. ctrl →
Страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8


Теги: вещества, движения, электроны, ионизации, энергии