Неравновесная плазма
Что происходит, когда давление плазмы ниже атмосферного и ЛТР не выполняется?
В
плазме электрического разряда под
действием электрического поля,
приложенного к электродам, протекает
ток и выделяется джоулево тепло, причем
энергия поля передается большей частью
электронам, как самым подвижным частицам.
При их столкновениях с атомами, молекулами
и ионами небольшая часть энергии
передается тяжелым частицам. Если
частота столкновений электронов с
тяжелыми частицами небольшая (при
давлениях заметно меньше атмосферного),
то средняя энергия электронов а,
следовательно, и соответствующая
температура
может быть значительно больше средней
энергии и температуры тяжелых частиц
.
Например, в плазме тлеющего разряда
низкого давления 0.1 мм рт.ст.
,
а
.
Такая плазма называется термически
неравновесной.
Степень ионизации
Одной
из важнейших характеристик плазмы
является степень ее ионизации - отношение
концентрации ионов (
)
к полной концентрации тяжелых частиц
– ионов и атомов (
):
.
Если ионов нет, то
,
в полностью ионизованной плазме
.
Многие свойства плазмы, даже
слабоионизованной, определяются
присутствием в ней заряженных частиц.
Например, в мощных газоразрядных
молекулярных лазерах
.
В этих лазерах электрическая энергия
внешнего источника передается сначала
электронам и затем перерабатывается в
энергию лазерного излучения. Следовательно,
присутствие незначительного
количества электронов в газе определяет
работу
газоразрядного лазера. Для плазмы
дугового разряда
.
Квазинейтральность плазмы
Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме практически одинакова и в целом плазма является квазинейтральной (почти нейтральной). Любое, нарушение квазинейтральности в объеме плазмы приводит к появлению сильных электрических полей, перемещающих заряженные частицы до тех пор, пока квазинейтральностъ не восстановится. Квазинейтральность имеет место лишь в среднем-в достаточно больших объемах и за достаточно большие интервалы времени. Размеры областей и промежутки времени, в пределах которых может нарушаться квазинейтральность, называют пространственным и временным масштабами разделения зарядов. Оценим эти масштабы.
Пространственный масштаб разделения зарядов. Радиус Дебая
Определим
пространственный масштаб разделения
зарядов. Представим, что в некотором
объеме плазмы нейтральность нарушена.
Для простоты будем считать, что это
нарушение происходит в результате
смещения
плоского слоя электронов. При этом
образуются слои отрицательного и
положительного объемных зарядов.
Электрическое поле между слоями
эквивалентно полю плоского конденсатора.
Напряженность поля
определяется поверхностной плотностью
заряда
на
«обкладках»:
,
[ед.СИ]
где
-заряд;
-плотность
электронов;
-смещение
слоя. Вычислим работу по разделению
зарядов на расстояние d,
которая совершается силами возникающего
на длине x
электрического поля
.
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
,
где k
– постоянная Больцмана, T
– температура,
т.е.
.
Из этого условия следует оценка
максимального пространственного
масштаба разделения заряда
.
Более строгие расчеты дают
.
(6)
Эта
величина называется радиусом Дебая по
имени ученого, который ввел ее впервые.
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
определяет
глубину проникновения внешнего
электрического поля в плазму.