Плазма (стр. 2 )

Свойства плазмы. Квазинейтральность. Одна из важных особенностей плазмы в том, что отрицательный заряд электронов в ней почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. При любых воздействиях на нее плазма стремится сохранить свою квазинейтральность. Если в каком-то месте происходит случайное смещение (например, за счет флуктуации плотности) части электронов, создающее избыток электронов в одном месте и недостаток в другом, в плазме возникает сильное электрическое поле, которое препятствует разделению зарядов и быстро восстанавливает квазинейтральность. Порядок величины такого поля можно оценить следующим образом. Пусть в слое плазмы толщиной в Δx создается объемный заряд плотностью q. Согласно законам электростатики, на длине Δx он создает электрическое поле E = 4π qΔx (использована абсолютная система единиц СГСЭ. В практических единицах – вольтах на сантиметр – это поле в 300 раз больше). Пусть в 1 см3 есть Δne лишних электронов сверх тех, которые точно нейтрализуют заряд ионов. Тогда плотность объемного заряда q = eΔne, где e = 4,8·10–10 ед. СГС – заряд электрона. Электрическое поле, возникающее от разделения зарядов, равно

E = 1,8·10–6 Δx в/см

В качестве конкретного примера можно рассмотреть плазму с такой же концентрацией частиц, как атмосферный воздух у поверхности Земли, – 2,7·1019 молекул/см3 или 5,4·1019 атомов/см3. Пусть в результате ионизации все атомы стали однозарядными ионами. Соответствующая концентрация электронов плазмы в этом случае равна ne = 5,4·1019 электрон/cм3. Пусть на длине 1 см концентрация электронов изменилась на 1%. Тогда Δne = 5,4·1017 электрон/см3, Δx = 1 см и в результате разделения зарядов возникает электрическое поле E ≈ 1012 в/см.

Для создания такого сильного электрического поля понадобилась бы огромная энергия. Это говорит о том, что для рассматриваемого примера достаточно плотной плазмы фактическое разделение заряда будет ничтожно малым. Для типичного случая термоядерной плазмы (ne ~ 1012 – 1014 см–3 ) поле, которое препятствует разделению зарядов для рассмотренного выше примера, остается еще очень большим (E ~ 107109 в/см).

Длина и радиус Дебая. Пространственный масштаб разделения заряда или ту характерную длину, ниже которой (по порядку величины) разделение зарядов становится заметным, можно оценить, вычисляя работу по разделению зарядов на расстояние d, которая совершается силами возникающего на длине x электрического поля E = 4πne ex.

С учетом того, что сила, действующая на электрон равна eE, работа этой силы равна

Эта работа не может превышать кинетическую энергию теплового движения частиц плазмы, которая для случая одномерного движения равна (1/2)kT, где k – постоянная Больцмана, T – температура, т. е.

A ≤ (1/2)kΤ.

Из этого условия следует оценка максимального масштаба разделения заряда

(1)

Эта величина называется длиной Дебая по имени ученого, который ввел ее впервые, исследуя явление электролиза в растворах, где встречается аналогичная ситуация. Для рассмотренного выше примера плазмы при атмосферных условиях (ne = 5,4·1019 см–3 Т = 273 К, k = 1,38·10–16 эрг/К) получаем d = 1,6 ·10–19 см, а для условий термоядерной плазмы (ne = 1014 см–3, T = 108K ) величина d = 7·10–3 см.

Для существенно более разреженной плазмы длина Дебая может оказаться больше размеров самого плазменного объема. В этом случае условие квазинейтральности нарушается, и такую систему уже нет смысла называть плазмой.

Длина d (или радиус Дебая ) является важнейшей характеристикой плазмы. В частности, электрическое поле, создаваемое каждой отдельной заряженной частицей в плазме, экранируется частицами противоположного знака и фактически исчезает на расстоянии порядка радиуса Дебая от самой частицы. С другой стороны, величина d определяет глубину проникновения внешнего электрического поля в плазму. Заметные отклонения от квазинейтральности могут происходить вблизи границ плазмы с твердой поверхностью как раз на расстояниях порядка длины Дебая.

Плазменные колебания. Еще одной важной характеристикой плазмы является плазменная (или лэнгмюровская) частота колебаний ωp. Плазменные колебания – это колебания плотности заряда (например, электронной плотности). Они вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд по инерции «проскакивает» это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля.

Таким образом и возникают лэнгмюровские колебания плотности заряда в плазме. Электронная плазменная частота колебаний определяется при этом выражением

(2)

Для термоядерной плазмы, например, (ne = 1014 см–3 ) электронная плазменная частота оказывается равной ωp = 1011c–1.

Идеальность плазмы. По аналогии с обычным газом плазму считают идеальной, если кинетическая энергия движения составляющих ее частиц существенно больше энергии их взаимодействия. Заметное различие между плазмой и газом проявляется в характере взаимодействия частиц. Потенциал взаимодействия нейтральных атомов и молекул в обычном газе является короткодействующим. Частицы оказывают заметное влияние друг на друга лишь при непосредственном сближении на расстояния порядка диаметра молекул a. Среднее расстояние между частицами при плотности газа n определяется как n–1/3 (см. ГАЗ). Условие идеальности газа имеет при этом вид: a << n–1/3. Кулоновский потенциал взаимодействия заряженных частиц в плазме оказывается дальнодействующим, т. е. заряженные частицы создают вокруг себя протяженные электрические поля, медленно убывающие с расстоянием. Энергия кулоновского взаимодействия двух частиц с зарядом e, находящихся на расстоянии R друг от друга, равна e2/R. Подставляя вместо R среднее расстояние b между частицами и полагая среднюю кинетическую энергию частиц равной kT, условие идеальности плазмы можно представить в виде: << kT. Для оценки отклонения плазмы от идеальности обычно вводят параметр неидеальности плазмы

(3)

Очевидно, плазма является идеальной, если γ 1.

Условию идеальности плазмы можно придать более наглядный смысл, если ввести представление о так называемой сфере Дебая. В объеме плазмы выделяется шар с радиусом, равным радиусу Дебая, и подсчитывается число частиц ND, содержащихся в этом шаре,

(4) ~ γ–3/2

Сравнение с критерием (3) показывает, что условие идеальности плазмы сводится к требованию, чтобы в сфере Дебая оказывалось достаточное число частиц (ND >> 1).

Для рассмотренных выше условий термоядерной плазмы (ne = 1014 см–3 , T = 108K ) получается, что ND ≈ 108. Для плазмы, образующейся в разряде молнии (ne = 5·1019, T = 104), величина ND ≈ 0,1. Такая плазма оказывается слабо неидеальной.

Термодинамика плазмы. Если плазма удовлетворяет условию идеальности, то в термодинамическом отношении она ведет себя как идеальный газ, это означает, что ее поведение подчиняется обычным газовым законам (см. ГАЗ). Поскольку плазма представляет собой смесь частиц различных сортов (включая ионы и электроны), применение закона Дальтона позволяет записать уравнение состояния идеальной плазмы, которое связывает давление плазмы с плотностями каждого из видов частиц в смеси, в виде

(5) p = p1 + p2 + … = (n1 + n2 + …) kT

Здесь T – общая для всех компонентов смеси температура, соответствующая установлению полного термодинамического равновесия в плазме. Реальная плазма многих экспериментальных установок, как правило, не находится в состоянии теплового равновесия. Так, газоразрядная плазма разогревается за счет энергии, которая выделяется при прохождении электрического тока в газе и передается, в основном, легкому компоненту плазмы – электронам. При столкновении с тяжелыми частицами (ионами и атомами) электроны отдают лишь незначительную часть своей энергии. Если электронов в плазме достаточно, чтобы обеспечить интенсивный обмен энергией между ними, в плазме устанавливается квазиравновесие, соответствующее установлению электронной температуры, отличающейся от температуры ионов и атомов. (Te > T). Такая плазма называется неизотермической. В газосветных рекламных трубках или в лампах дневного света, например, температура электронов обычно составляет десятки тысяч кельвинов, между тем как ионная температура и температура нейтрального газа оказываются не выше 1000–2000 К. Для полностью ионизованной плазмы термоядерных установок уравнение состояния плазмы записывается в виде

(6) p = k(neTe + niTi)

При этом, в отличие от обычной газоразрядной плазмы, температура ионов может оказаться заметно выше электронной.

Столкновения частиц в плазме. В обычном газе процессы взаимодействия (столкновения) частиц носят, в основном, упругий характер. Это означает, что при таких столкновениях остаются неизменными суммарный импульс и энергия каждой взаимодействующей пары частиц. Если газ или плазма не сильно разрежены, столкновения частиц достаточно быстро приводят к установлению известного максвелловского распределения частиц по скоростям (см. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ), которое соответствует состоянию теплового равновесия. Плазма отличается от газа гораздо большим разнообразием процессов столкновений частиц. В слабоионизованной плазме особую роль играют упругие взаимодействия электронов с нейтральными атомами или молекулами, такие процессы, как, например, перезарядка ионов на атомах. По мере повышения степени ионизации плазмы к обычным упругим короткодействующим взаимодействиям нейтральных атомов и молекул и электронов с нейтральными частицами добавляются дальнодействующие кулоновские взаимодействия заряженных частиц плазмы. При достаточно высоких температурах или при наличии электронов с высокой энергией, которую они приобретают, например, в электрическом поле газового разряда, многие столкновения носят неупругий характер. К ним относятся такие процессы, как переход атомов и молекул в возбужденное состояние, ионизация атомов, рекомбинация электронов и ионов с участием третьей частицы и др.