2.1. Температура плазмы

Термодинамика изучает свойства систем, находящихся в состоянии теплового, или термического, равновесия. Важнейшей характеристикой такой системы является ее температура. Понятие температуры имеет смысл только при наличии хотя бы частичного равновесия. В статистической физике температура определяется как величина, обратно пропорциональная модулю так называемого канонического распределения. Если вероятность нахождения системы в состоянии с энергией ε_i пропорциональна , то температура Т определяется из условия

(4.1)

Обычно в качестве множителя пропорциональности вводится постоянная Больцмана k

(4.2)

Определенная таким образом температура имеет собственную размерность: она измеряется в градусах (обычно по шкале Кельвина). В физике плазмы принято полагать множитель пропорциональности в формуле (4.1) равным единице, т. е. определять температуру как величину, обратную модулю распределения. Определенная таким образом температура имеет размерность энергии. Поэтому ее называют температурой в энергетических единицах. В дальнейшем везде, где это специально не оговорено, мы будем под температурой понимать именно температуру в энергетических единицах. Согласно закону равнораспределения энергии, она равна средней энергии, приходящейся на две степени свободы классического идеального газа. При измерении температуры в энергетических единицах вероятность состояния с энергией ε_i пропорциональна величине .

Удобной для физики плазмы энергетической единицей температуры является электронвольт (эв):

1 эв =1,6·10^-12 эрг= 11600° К.

Для горячей плазмы единицей температуры часто служит килоэлектронвольт (кэв).

Плазма имеет одну определенную температуру, только если она находится в состоянии полного термодинамического равновесия. Очень часто в плазме приходится иметь дело с частичным термодинамическим равновесием. Так, обмен энергиями электронов с ионами происходит гораздо медленнее, чем обмен между частицами, близкими по массе. Поэтому в не слишком плотной плазме может длительное время существовать состояние, когда она характеризуется двумя температурами: электронной Т_е и ионной Т_i. Плазму с Т_е = T_i называют изотермической. Получение ее в обычных условиях эксперимента — задача довольно сложная.

Если ускорение частиц происходит под действием электромагнитных полей или ударных волн, то может не быть и частичного равновесия. В таких случаях теряют смысл даже электронная и ионная температуры. Иногда в неравновесной плазме температурой предлагают называть среднюю энергию, приходящуюся на две степени свободы частицы. Однако в плазме с несколькими сортами ионов при этом может оказаться, что разные ионы будут иметь разные температуры.

В ударной волне все частицы набирают одинаковую скорость и, следовательно, «температура» частиц данного рода может возрастать с их массой.

(источник: Д.А. Франк-Каменецкий, Лекции по физике плазмы, гл. 2, §1)

2.2. Магнитное давление

Часто плазма находится в магнитном поле, которое либо проникаетв глубь нее, либо окружает снаружи. В статическом магнитном поле на поверхность, ограничивающую магнитный поток, действует давление дин/см². Обычно плазма диамагнитна, поэтому она выталкивает приложенное к ее поверхности магнитное поле. Это означает, что магнитное давление может уравновесить кинетическое давление плазмы р = nkT на границе плазма — магнитное поле. При > р плазму можно сжать добольшей плотности и тем самым увеличить ее температуру.В тех случаях, когда магнитное поле проникает в плазму, часто пользуются параметром β (плазменное бета), равным отношению локальных значений давления плазмы и магнитного поля:

(5.1)

В равновесномпереходном слое на плоской границе плазма — магнитное поле условиепостоянства давления имеет вид

(5.2)

(источник:Н.Кролл, А.Трайвелпис, Основы физики плазмы, гл.1, §6)

3. Плазменные состояния в ранней Вселенной. Большой взрыв. Понятие о стандартной модели Вселенной. Темная материя и темная энергия. Кварк-глюонная плазма. Эпоха космической инфляции. Эпоха рекомбинации ранней Вселенной. Реликтовое излучение.