Плазма и ее свойства

Плазмойназывается сильно ионизован­ный газ, в котором концентрации положи­тельных и отрицательных зарядов практи­чески одинаковы. Различают высокотемпе­ратурную плазму,возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразряд­ную плазму,возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется сте­пенью ионизацииa — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо(a со­ставляет доли процента), умеренно(a— несколько процентов) и полностью(a близко к 100 %) ионизованной плазме.

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обла­дают различной средней кинетической

энергией. Это означает, что температура Т_е электронного газа одна, а ионного Т _и — другая, причем Т_е>Т _и. Несоответствие этих температур указывает на то, что газо­разрядная плазма является неравновес­ной, поэтому она называется также неизо­термической. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газо­разрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение дейст­вия электрического поля приводит к исчез­новению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма являет­ся равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В та­кой плазме соблюдается равенство сред­них кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звезд­ные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы яв­ляется некоторая минимальная плотность заряженных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где L — линейный размер системы заряженных частиц, D — так называемый дебаевский радиус экра­нирования, представляющий собой то рас­стояние, на котором происходит экраниро­вание кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими основ­ными свойствами: высокой степенью иони­зации газа, в пределе — полной иониза­цией; равенством нулю результирующего пространственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); боль­шой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электрона­ми, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; ко­лебаниями электронов в плазме с большой частотой (~=10⁸ Гц), вызывающими об­щее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» — одновременным взаи-

модействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодейству­ют друг с другом попарно). Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать мно­гие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма — наиболее распространенное состояние ве­щества, а с другой — открывает принци­пиальные возможности осуществления уп­равляемого термоядерного синтеза. Ос­новным объектом исследований по управ­ляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (~=10⁸ К) из дейтерия и трития (см. § 268).

Низкотемпературная плазма (< 10⁵ К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) — установках для не­посредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспектив­ных для длительных космических поле­тов.

Низкотемпературная плазма, получае­мая в плазмотронах, используется для рез­ки и сварки металлов, для получения неко­торых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.

Контрольные вопросы

• Какие опыты были поставлены для выяснения природы носителей электрического тока в метал­лах?

• Каковы основные идеи теории Друде — Лоренца?

• Сравните порядок средних скоростей теплового и упорядоченного движения электронов в ме­таллах (при условиях, близких к нормальным и приемлемых в электротехнике).

• Почему тепловое движение электронов не может привести к возникновению электрического тока?

• Выведите на основе классической теории электропроводности металлов дифференциальную форму законов Ома и Джоуля — Ленца.

• Как классическая теория электропроводности металлов объясняет зависимость сопротивления металлов от температуры?

• В чем заключаются трудности элементарной классической теории электропроводности ме­таллов? Каковы границы ее применения?

• Что называется работой выхода электрона и чем она обусловлена? От чего она зави­сит?

• Какие существуют разновидности эмиссионных явлений? Дайте их определения.

• Объясните вольт-амперную характеристику для вакуумного диода.

• Можно ли изменять силу тока насыщения вакуумного диода? Если да, то как?

• Каким образом можно вырвать электроны из холодного катода? Как называется это явле­ние?

• Дайте объяснение качественной зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии диэлектрика от энергии падающих электронов.

• Охарактеризуйте процесс ионизации; рекомбинации.

• В чем отличие самостоятельного газового разряда от несамостоятельного? Каковы условия, необходимые для его существования?

• Может ли возникнуть ток насыщения при самостоятельном газовом разряде?

• Охарактеризуйте типы самостоятельного газового разряда. В чем их особенности?

• К какому типу газового разряда относится молния?

• В чем отличие равновесной плазмы от неравновесной?

• Приведите основные свойства плазмы. Каковы возможности ее применения?

Задачи

13.1. Концентрация электронов проводимости в металле равна 2,5•10²² см^-3. Определить среднюю скорость их упорядоченного движения при плотности тока 1 А/мм². [0,25 мм/с]

13.2. Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определить, во сколько раз увели­чится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К. [В 290 раз]

13.3. Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определить скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10^-18 Дж. [1,15 Мм/с]

13.4. Воздух между пластинами плоского конденсатора ионизируется рентгеновским излучением. Сила тока, текущего между пластинами, 10 мкА. Площадь каждой пластины конденсатора равна 200 см², расстояние между ними 1 см, разность потенциалов 100 В. Подвижность поло­жительных ионов b₊ = 1,4 см²/(В•с) к отрицательных b_- = 1,9 см²/(В•с); заряд каждого иона равен элементарному заряду. Определить концентрацию пар ионов между пластинами, если ток далек от насыщения. [9,5•10¹⁴ м^-3]

13.5. Ток насыщения при несамостоятельном разряде равен 9,6 пА. Определить число пар ионов, создаваемых в 1 с внешним ионизатором. [3•10⁷]

Date: 2015-05-04; view: 1312; Нарушение авторских прав