Газоэлектрическая плазма

В противоположность изотермической плазме и обычной газовой смеси, все частицы которых имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения(т.е. kT – энергетическую температуру теплового движения), у электронов, ионов и нейтральных атомов газоразрядной плазмы средняя кинетическая энергия этих частицы различная. Наибольшей энергией обладают электроны, наименьшей – нейтральные атомы. Следовательно. Газоразрядная плазма – это смесь компонентов с различными температурами.

Температура – это основное понятие термодинамики, которое характеризует значение энергии и ее распределение между частицами вещества.

Известно, что средняя величина кинетической энергии беспорядочного теплового движения W связана с температурой T формулой

где k-постоянная Больцмана; , R –универсальная газовая постоянная, А-число Авогадро(т.е. количество атомов в грамм-атоме), kT – энергетическая (термодинамическая) температура

Поэтому в изотермической плазме нельзя говорить об одной температуре – различают обычно еще по крайней мере не менее трех температур – электронную, ионную , и атомную . Обычно > . Большое различие между большой разницей в величине массы электронов ( ) и ионов. Внешние источники электрической энергии, вызывающие и поддерживающие газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы, т.к. именно они и являются носителями тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами, которые из-за большой разницы в массе передают иону лишь небольшую часть своей кинетической энергии, подобно столкновению легкого шарика пинг-понга с массивным сальным шаром. Используя закон сохранения энергии и закон сохранения суммарного количества движения можно показать, что если тело с малой массой m1 упруго сталкивается с массивным телом во много раз большей массы m2, то относительная доля кинетической энергии, которую легкое тело в состоянии передать тяжелому, не может превысить . Учитывая, что = 1/1840A, где А – атомный вес вещества, к которому относится ион, т.е. наибольшую относительную энергию, которую может передать электрон иону с тяжелой массой не превышающей . Поэтому электрон должен прывтиам достаточно много столкновений с ионами прежде. Чем он отдаст весь излишек своей энергии.

В газоразрядной плазме все время поддерживается большой перепад температур между электронами и ионами. Например, в газоразрядных приборах (рекламные трубки, лампы дневного света и т.д.) 30000…40000K, тогда как и ~1-2 тыс.К. В дуговом разряде эта разница гораздо меньше ( - несколько десятков тысяч градусов, а и - около 6000К), т.е. в этому случае разряд происходит в газе с большей плотностью, где выше частота столкновений между электронами и ионами. Последнее же способствует выравниванию температуры.

Для обычных сварочных дуг, горящих в среде при давлении порядка атмосферного, столб дуги представляет собой плазму. Плазма дуги квазинейтральна (т.е. почти нейтральная), т.к. в ней отрицательный заряд электронов почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. Электроны подвижнее ионов, они быстрее уходят к аноду, поэтому столб души имеет положительный потенциал по отношению к катоду.

Термическое равновесие в дуговом промежутке будет полным, когда частота появления всех возможных энергетических состояний удовлетворяет распределение Максвелла – Больцмана. В апопро среде столба дуги столкновения между частиами приводят к быстрому установлению локального равновесного состояния. Напротив, в разряженной плазме, где столкновения частиц редки, могут длительное время существовать состояния, далекие от равновесия. Столкновения частиц становятся редкими и при высоких температурах в так называемой горячей плазме, когда энергия теплового движения kT=10…100 эВ и более. Плазма, имеющая kT = 1 эВ(11600 К) в физике считается холодной плазмой.