Вещество в состоянии плазмы

А с какой степенью точности в ионизированном газе должно соблюдаться условие квазинейтральности?.

Каким бы путём не создавалась ионизация, нельзя утверждать, что положительных и отрицательных зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов и ионов, электроны могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они возникли. Поэтому если в результате процесса ионизации атомов первоначально образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то вследствие быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри которой находиться ионизированный газ, ионы, должны оставаться в значительном большинстве, т. е. не о какой нейтральности не может быть и речи. Но не следует забывать о том, что при преимущественной утечке зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.

Рассмотрим ионизированный газ, в котором кроме ионов присутствуют однозарядные ионы. Из условия квазинейтральности ne должно очень мало отличатся от ni. Заметное отклонение ne от ni должно каким — либо образом отразиться на поведении других частиц.

Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. Тогда отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не будут связаны друг с другом, и каждая частица будетдвигаться так, словно все другие отсутствуют. Следовательно, условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется.

Рассмотрим противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём — избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между neи ni, создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.

Таким образом, в конечном счёте, всё зависит от соотношения между потенциальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.

  • Плазменные явления
  • в металлах и полупроводниках.

    До сих пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные явления возникают часто в объектах, казалось бы, далёких от газов.

    Например, рассмотрим металлы или полупроводники. Они имеют следующую структуру: есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц — ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова- в свободном состоянии именно таких частиц (то есть с соответствующими зарядом и массой) нет. Несмотря на это, их движение описывается уравнениями, подобными уравнениям, описывающим движения обычных частиц — с той лишь разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества, которые часто называют эффективными массами электронов и дырок, а сами электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi — почти).

    Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы — твёрдотельная плазма.