Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Плазма



План:


Введення

Плазмова лампа, що ілюструє деякі з найбільш складних плазмових явищ, включаючи філаментацію. Світіння плазми обумовлено переходом електронів з високоенергетичного стану в стан з низькою енергією після рекомбінації з іонами. Цей процес призводить до випромінювання з спектром, відповідним що порушується газу.

Плазма (від греч. πλάσμα "Виліплене", "оформлене") - в фізики і хімії повністю або частково іонізований газ, який може бути як квазінейтральних, так і неквазінейтральним. Плазма іноді називається четвертим (після твердого, рідкого і газоподібного) агрегатним станом речовини.

Слово "іонізований" означає, що від електронних оболонок значної частини атомів або молекул відокремлений принаймні один електрон. Слово "квазинейтральной" означає, що, незважаючи на наявність вільних зарядів (електронів і іонів), сумарний електричний заряд плазми приблизно дорівнює нулю. Присутність вільних електричних зарядів робить плазму провідним середовищем, що зумовлює її помітно більше (порівняно з іншими агрегатними станами речовини) взаємодію з магнітним та електричним полями. Четверте стан речовини було відкрито У. Круксом в 1879 і названо "плазмою" І. Ленгмюром в 1928, можливо через асоціації з плазмою крові. Ленгмюр писав:

Виключаючи простір біля електродів, де можна знайти невелику кількість електронів, іонізований газ містить іони і електрони практично в однакових кількостях, в результаті чого сумарний заряд системи дуже малий. Ми використовуємо термін "плазма", щоб описати цю в цілому електрично нейтральну область, що складається з іонів та електронів.

Філософи античності, починаючи з Емпедокла, стверджували, що світ складається з чотирьох стихій: землі, води, повітря та вогню. Це положення з урахуванням деяких припущень укладається в сучасне наукове уявлення про чотири агрегатних станах речовини, причому плазмі, очевидно, відповідає вогонь. [1] Властивості плазми вивчає фізика плазми.


1. Форми плазми

За сьогоднішніми уявленнями, фазовим станом більшої частини речовини (за масою ок. 99,9%) у Всесвіту є плазма. [2] Всі зірки складаються з плазми, і навіть простір між ними заповнений плазмою, хоча і дуже розрідженій (див. міжзоряний простір). Приміром, планета Юпітер зосередила в собі практично все речовина Сонячної системи, що перебуває в "неплазменном" стані ( рідкому, твердому і газоподібному). При цьому маса Юпітера складає всього лише близько 0,1% маси Сонячної системи, а об'єм - і того менше: всього 10 -15%. При цьому дрібні частки пилу, що заповнюють космічний простір і несуть на собі певний електричний заряд, в сукупності можуть бути розглянуті як плазма, що складається з надважких заряджених іонів (див. пилова плазма).

Найбільш типові форми плазми
Штучно створена плазма
Земная природная плазма
Космическая и астрофизическая плазма

2. Свойства и параметры плазмы

2.1. Определение плазмы

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. [4] Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами: [5] [6] [7]

  • Достаточная плотность : заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:
r_D^3 N \gg 1 \, , Де ~N - концентрация заряженных частиц.
  • Приоритет внутренних взаимодействий : радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:
{r_D \over L} \ll 1.
  • Плазменная частота : среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. [8] Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:
\tau \omega_{pl} \gg 1.

2.2. Класифікація

Плазма обычно разделяется при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

2.3. Температура

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в "десятки тысяч С" достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Поняття високотемпературна плазма вживається звичайно для плазми термоядерного синтезу, який вимагає температур в мільйони K.


2.4. Ступінь іонізації

Для того, щоб газ перейшов у стан плазми, його необхідно іонізувати. Ступінь іонізації пропорційна числу атомів, які віддали або поглотивших електрони, і найбільше залежить від температури. Навіть слабо іонізований газ, в якому менше 1% часток знаходяться в іонізованому стані, може проявляти деякі типові властивості плазми (взаємодія з зовнішнім електромагнітним полем і висока електропровідність). Ступінь іонізації α визначається як α = n i / (n i + n a), де n i - концентрація іонів, а n a - концентрація нейтральних атомів. Концентрація вільних електронів в незарядженої плазмі n e визначається очевидним співвідношенням: n e = n i, де - середнє значення заряду іонів плазми.

Для низькотемпературної плазми характерна мала ступінь іонізації (до 1%). Так як такі плазми досить часто вживаються в технологічних процесах, їх іноді називають технологічними плазмами. Найчастіше їх створюють за допомогою електричних полів, що прискорюють електрони, які в свою чергу іонізують атоми. Електричні поля вводяться в газ за допомогою індуктивного або ємнісний зв'язку (див. індуктивно-зв'язана плазма). Типові застосування низькотемпературної плазми включають плазмову модифікацію властивостей поверхні (алмазні плівки, нітрідірованіе металів, зміна смачиваемости), полум'яне травлення поверхонь (напівпровідникова промисловість), очищення газів і рідин (озонування води і спалювання частинок сажі в дизельних двигунах).

Гаряча плазма майже завжди повністю іонізована (ступінь іонізації ~ 100%). Зазвичай саме вона розуміється під "четвертим агрегатним станом речовини ". Прикладом може служити Сонце.


2.5. Щільність

Крім температури, яка має фундаментальну важливість для самого існування плазми, другим найбільш важливою властивістю плазми є щільність. Словосполучення щільність плазми зазвичай позначає щільність електронів, тобто число вільних електронів в одиниці об'єму (строго кажучи, тут, щільністю називають концентрацію - не масу одиниці об'єму, а число часток в одиниці об'єму). В квазинейтральной плазмі щільність іонів пов'язана з нею за допомогою середнього зарядового числа іонів \ Langle Z \ rangle : n_e = \ langle Z \ rangle n_i . Наступною важливою величиною є щільність нейтральних атомів n 0 . У гарячій плазмі n 0 мала, але може проте бути важливою для фізики процесів в плазмі. При розгляді процесів в щільною, неідеальної плазмі характерним параметром щільності стає r s , Який визначається як відношення середнього міжчастинкової відстані до радіусу Бора.


2.6. Квазінейтральность

Так як плазма є дуже хорошим провідником, електричні властивості мають важливе значення. Потенціалом плазми або потенціалом простору називають середнє значення електричного потенціалу в даній точці простору. У разі якщо в плазму внесено яке-небудь тіло, його потенціал в загальному випадку буде менше потенціалу плазми внаслідок виникнення дебаєвсьного шару. Такий потенціал називають плаваючим потенціалом. Через гарною електричної провідності плазма прагне екранувати всі електричні поля. Це призводить до явища квазінейтральності - щільність негативних зарядів з хорошою точністю дорівнює щільності позитивних зарядів ( n_e = \ langle Z \ rangle n_i ). В силу хорошою електричної провідності плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливо на відстанях більших дебаєвської довжини і часи великих періоду плазмових коливань.

Прикладом неквазінейтральной плазми є пучок електронів. Проте щільність не-нейтральних плазм повинна бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.


3. Відмінності від газоподібного стану

Плазму часто називають четвертим станом речовини. Вона відрізняється від трьох менш енергетичним агрегатних станів матерії, хоча і схожа на газову фазу тим, що не має певної форми або об'єму. До цих пір йде обговорення того, чи є плазма окремим агрегатним станом, або ж просто гарячим газом. Більшість фізиків вважає, що плазма є чимось більшим, ніж газ по причині наступних відмінностей:

Властивість Газ Плазма
Електрична провідність Вкрай мала
Наприклад, повітря є чудовим ізолятором до тих пір, поки не переходить в полум'яне стан під дією зовнішнього електричного поля напруженістю в 30 кіловольт на сантиметр. [9]
Дуже висока
  1. Незважаючи на те, що при протіканні струму виникає хоча і мале, але тим не менш кінцеве падіння потенціалу, у багатьох випадках електричне поле в плазмі можна вважати рівним нулю. Градієнти щільності, пов'язані з наявністю електричного поля, можуть бути виражені через розподіл Больцмана.
  2. Можливість проводити струми робить плазму сильно схильної до впливу магнітного поля, що призводить до виникнення таких явищ як філаментірованіе, поява верств і струменів.
  3. Типовим є наявність колективних ефектів, так як електричні й магнітні сили є дальнодействующимі і набагато сильніше, ніж гравітаційні.
Число сортів часток Один
Гази складаються з подібних один одному частинок, які рухаються під дією гравітації, а один з одним взаємодіють лише на порівняно невеликих відстанях.
Два, чи три, чи більше
Електрони, іони і нейтральні частинки розрізняються знаком ел. заряду і можуть вести себе незалежно один від одного - мати різні швидкості і навіть температури, що служить причиною появи нових явищ, наприклад хвиль і нестійкостей.
Розподіл за швидкостями Максвеллівський
Зіткнення часток один з одним призводить до максвеллівською розподілу швидкостей, згідно з яким дуже мала частина молекул газу мають відносно великі швидкості руху.
Може бути немаксвелловское

Електричні поля мають інший вплив на швидкості частинок ніж зіткнення, які завжди ведуть до максвеллізаціі розподілу за швидкостями. Залежність перетину кулонівських зіткнень від швидкості може посилювати цю відмінність, приводячи до таких ефектів, як двухтемпературние розподілу і тікають електрони.

Тип взаємодій Бінарні
Як правило двочасткові зіткнення, трехчастічние вкрай рідкісні.
Колективні
Кожна частинка взаємодіє відразу з багатьма. Ці колективні взаємодії мають набагато більший вплив ніж двочасткові.

4. Складні плазмові явища

Хоча основні рівняння, що описують стану плазми, відносно прості, в деяких ситуаціях вони не можуть адекватно відображати поведінку реальної плазми: виникнення таких ефектів - типове властивість складних систем, якщо використовувати для їх опису прості моделі. Найбільш сильне розходження між реальним станом плазми та її математичним описом спостерігається в так званих прикордонних зонах, де плазма переходить з одного фізичного стану в інший (наприклад, зі стану з низьким ступенем іонізації в високоіонізаціонное). Тут плазма не може бути описана з використанням простих гладких математичних функцій або із застосуванням імовірнісного підходу. Такі ефекти як спонтанна зміна форми плазми є наслідком складності взаємодії заряджених частинок, з яких складається плазма. Подібні явища цікаві тим, що проявляються різко і не є стійкими. Багато хто з них були спочатку вивчені в лабораторіях, а потім були виявлені у Всесвіті.


5. Математичний опис

Плазму можна описувати на різних рівнях деталізації. Зазвичай плазма описується окремо від електромагнітних полів. Спільне опис провідної рідини і електромагнітних полів дається в теорії магнітогідродинамічних явищ або МГД теорії.

5.1. Флюїдна (рідинна) модель

Під флюидной моделі електрони описуються в термінах щільності, температури і середньої швидкості. В основі моделі лежать: рівняння балансу для щільності, рівняння збереження імпульсу, рівняння балансу енергії електронів. В дворідинної моделі таким же чином розглядаються іони.

5.2. Кінетичне опис

Іноді рідинна модель виявляється недостатньою для опису плазми. Більш докладний опис дає кінетична модель, в якій плазма описується в термінах функції розподілу електронів по координатам і імпульсам. В основі моделі лежить рівняння Больцмана. Рівняння Больцмана застосовується для опису плазми заряджених часток з кулонівською взаємодією внаслідок дальнодействующего характеру кулонівських сил. Тому для опису плазми з кулонівською взаємодією використовується рівняння Власова з самоузгодженим електромагнітним полем, створеним зарядженими частинками плазми. Кінетичне опис необхідно застосовувати в разі відсутності термодинамічної рівноваги або в разі присутності сильних неоднорідностей плазми.


5.3. Particle-In-Cell (частка в комірці)

Моделі Particle-In-Cell є більш докладними, ніж кінетичні. Вони включають в себе кінетичну інформацію шляхом стеження за траєкторіями великого числа окремих частинок. Щільності електричного заряду і струму визначаються шляхом підсумовування числа частинок в осередках, які малі в порівнянні з розглянутої завданням, але, тим не менш, містять велику кількість частинок. Електричне і магнітне поля знаходяться з плотностей зарядів і струмів на кордонах осередків.


6. Базові характеристики плазми

Всі величини дані в гауссових СГС одиницях за винятком температури, яка дана в eV і маси іонів, яка дана в одиницях маси протона μ = m i / m p ; Z - зарядовое число; k - постоянная Больцмана; К - длина волны; γ - адиабатический индекс; ln Λ - Кулоновский логарифм.

6.1. Частоты

  • Ларморова частота электрона, угловая частота кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:
\omega_{ce} = eB/m_ec = 1.76 \times 10^7 B \mbox{rad/s}
  • Ларморова частота иона, угловая частота кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:
\omega_{ci} = eB/m_ic = 9.58 \times 10^3 Z \mu^{-1} B \mbox{rad/s}
  • плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:
\omega_{pe} = (4\pi n_ee^2/m_e)^{1/2} = 5.64 \times 10^4 n_e^{1/2} \mbox{rad/s}
  • ионная плазменная частота:
\omega_{pi} = (4\pi n_iZ^2e^2/m_i)^{1/2} = 1.32 \times 10^3 Z \mu^{-1/2} n_i^{1/2} \mbox{rad/s}
  • частота столкновений электронов
\nu_e = 2.91 \times 10^{-6} n_e\,\ln\Lambda\,T_e^{-3/2} \mbox{s}^{-1}
  • частота столкновений ионов
\nu_i = 4.80 \times 10^{-8} Z^4 \mu^{-1/2} n_i\,\ln\Lambda\,T_i^{-3/2} \mbox{s}^{-1}

6.2. Длины

  • Де-Бройлева длина волны электрона, длина волны электрона в квантовой механике:
\lambda\!\!\!\!- = \hbar/(m_ekT_e)^{1/2} = 2.76\times10^{-8}\,T_e^{-1/2}\,\mbox{cm}
  • минимальное расстояние сближения в классическом случае, минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:
e^2/kT=1.44\times10^{-7}\,T^{-1}\,\mbox{cm}
  • гиромагнитный радиус электрона, радиус кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:
r_e = v_{Te}/\omega_{ce} = 2.38\,T_e^{1/2}B^{-1}\,\mbox{cm}
  • гиромагнитный радиус иона, радиус кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:
r_i = v_ {Ti} / \ omega_ {ci} = 1.02 \ times10 ^ 2 \, \ mu ^ {1/2} Z ^ {-1} T_i ^ {1/2} B ^ {-1} \, \ mbox {cm}
  • розмір скін-шару плазми, відстань на яку електромагнітні хвилі можуть проникати в плазму:
c / \ omega_ {pe} = 5.31 \ times10 ^ 5 \, n_e ^ {-1 / 2} \, \ mbox {cm}
  • Радіус Дебая (довжина Дебая), відстань на якому електричні поля екрануються за рахунок перерозподілу електронів:
\ Lambda_D = (kT / 4 \ pi ne ^ 2) ^ {1/2} = 7.43 \ times10 ^ 2 \, T ^ {1/2} n ^ {-1 / 2} \, \ mbox {cm}

6.3. Швидкості

  • теплова швидкість електрона, формула для оцінки швидкості електронів при розподілі Максвелла. Середня швидкість, найбільш ймовірна швидкість і середньоквадратична швидкість відрізняються від цього виразу лише множниками порядку одиниці:
v_ {Te} = (kT_e / m_e) ^ {1/2} = 4.19 \ times10 ^ 7 \, T_e ^ {1/2} \, \ mbox {cm / s}

v_ {Ti} = (kT_i / m_i) ^ {1/2} = 9.79 \ times10 ^ 5 \, \ mu ^ {-1 / 2} T_i ^ {1/2} \, \ mbox {cm / s}

  • швидкість іонного звуку, швидкість поздовжніх іонно-звукових хвиль:
c_s = (\ gamma ZkT_e / m_i) ^ {1/2} = 9.79 \ times10 ^ 5 \, (\ gamma ZT_e / \ mu) ^ {1/2} \, \ mbox {cm / s}
v_A = B / (4 \ pi n_im_i) ^ {1/2} = 2.18 \ times10 ^ {11} \, \ mu ^ {-1 / 2} n_i ^ {-1 / 2} B \, \ mbox {cm / s}

6.4. Безрозмірні величини

  • квадратний корінь з відношення мас електрона і протона :
(M_e / m_p) ^ {1/2} = 2.33 \ times10 ^ {-2} = 1/42.9
  • Число часток в сфері Дебая:
(4 \ pi / 3) n \ lambda_D ^ 3 = 1.72 \ times10 ^ 9 \, T ^ {3/2} n ^ {-1 / 2}
  • Ставлення альфвеновськой швидкості до швидкості світла
v_A / c = 7.28 \, \ mu ^ {-1 / 2} n_i ^ {-1 / 2} B
  • ставлення плазмової і ларморовской частот для електрона
\ Omega_ {pe} / \ omega_ {ce} = 3.21 \ times10 ^ {-3} \, n_e ^ {1/2} B ^ {-1}
  • ставлення плазмової і ларморовской частот для іона
\ Omega_ {pi} / \ omega_ {ci} = 0.137 \, \ mu ^ {1/2} n_i ^ {1/2} B ^ {-1}
  • ставлення теплової та магнітної енергій
\ Beta = 8 \ pi nkT / B ^ 2 = 4.03 \ times10 ^ {-11} \, nTB ^ {-2}
  • ставлення магнітної енергії до енергії спокою іонів
B ^ 2/8 \ pi n_im_ic ^ 2 = 26.5 \, \ mu ^ {-1} n_i ^ {-1} B ^ 2

6.5. Інше

  • Бомівської коефіцієнт дифузії
D_B = (ckT/16eB) = 5.4 \ times10 ^ 2 \, TB ^ {-1} \, \ mbox {cm} ^ 2 / \ mbox {s}
  • Поперечний опір Спітцера
\ Eta_ \ perp = 1.15 \ times10 ^ {-14} \, Z \, \ ln \ Lambda \, T ^ {-3 / 2} \, \ mbox {s} = 1.03 \ times10 ^ {-2} \, Z \, \ ln \ Lambda \, T ^ {-3 / 2} \, \ Omega \, \ mbox {cm}

7. Сучасні дослідження


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Плазма крові
Кварк-глюонна плазма
Індуктивно-зв'язана плазма
Плазма (комп'ютерна графіка)
Індуктивно-зв'язана плазма в мас-спектрометрії
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru