Вопросы к работе “Определение температуры плазмы дугового разряда”

1. Для получения плазмы в данной работе используется дуговой генератор переменного тока, который позволяет получать на короткое время с частотой в 100 Гц дуговой электрический разряд. Что представляет собой дуговой электрический разряд?

2. На первоначальной пробойной стадии разряда дуговой генератор на очень короткое время создает между железными электродами искровой разряд – микромолнию. Что представляет собой искровой электрический разряд?

3. Известно, что атмосферный воздух является при комнатной температуре очень хорошим диэлектриком и в нем можно инициировать электрический разряд в виде искры только в электрическом поле с напряженностью порядка 30000 В/см. Такой напряженности недостаточно для прямой ионизации атомов и молекул воздуха и тем самым возникновения свободных первичных электронов и ионов, необходимых для прохождения электрического тока через воздух, а также выбивания электронов из холодных железных электродов. Однако, как показывает устойчивая работа дугового генератора, искровой разряд легко возникает. Откуда берутся первичные электроны, которые из-за их высокой подвижности являются наиболее важными? Как первичные электроны инициируют бурный искровой разряд (см. § 109 в [1])?

4. Важнейшим элементарным процессом в электрическом газовом разряде является ионизация атомов (молекул) электронным ударом, который схематически можно изобразить в виде А+А⁺+е+е, где- энергичный электрон с достаточно большой кинетической энергией для ионизации атома А, А⁺- ионизованный атом, у которого оторван один внешний электрон,е– медленные электроны. Каким является данный процесс – упругим или неупругим? В каких других элементарных процессах, помимо ионизации, могут участвовать электроны (см. работу ''Опыты Франка и Герца'')?

5. Что понимается под плазмой? Что является причиной квазинейтральности плазмы?

6. Каков физический смысл радиуса Дебая и какова его практическая ценность? Сравните рассчитанный вами радиус Дебая с линейными размерами дуги в данной работе и ответьте на вопрос: является ли ионизованный газ дуги плазмой?

7. Каков механизм подвода энергии к плазме? Как происходит в электрическом разряде передача энергии от электрического поля к частицам плазмы? Какую роль в этом процессе играют столкновения частиц плазмы? Какое состояние плазмы наступает, когда столкновения частиц являются частыми, как это происходит в плазме при атмосферном давлении в воздухе? Говорят, что плазма в этом случае является равновесной – каковы ее характеристики? Что можно сказать о температуре разных частиц? По какому закону распределены частицы данного сорта по скоростям? По какому закону распределены атомы в плазме по энергетическим уровням?

8. Как температура частиц данного сорта связана с кинетической энергией частиц?

9. Что такое степень ионизации? Каковы пределы ее изменения ?

10. Распределение частиц i-ого сорта по модулю скоростиυпринято записывать в видеdn_i=n_iF(υ)dυ, гдеn_i– концентрация частиц,dn_i– концентрация частиц, имеющих скорости в диапазоне отυдоυ+dυ,F(υ) – функция распределения (плотность вероятности – какова ее нормировка?). В равновесных условиях при температуре плазмыТ(Т_i=T) функция распределенияF(υ) представляется в виде распределения Максвелла-БольцманаF_МБ(υ). Запишите функциюF_МБ(υ), используя формулу дляdn_i, приведенную в руководстве. Как будет качественно изменяться график функцииF_МБ(υ) при увеличении температуры? Нарисовать качественное поведение функции приТ₁иТ₂ (Т₂>Т₁). Куда будет смещаться максимум распределения?

11. Нарисовать аналогичные графики функции распределения F_МБ(υ_х) для проекции скоростиυ_хна осьОХ, используя следующую формулу, аналогичную формуле дляdn_i:

dn_i(υ_х,υ_х+dυ_х)= n_i(m_i/2πkT)^1/2exp()dυ_х= n_iF_МБ(υ_х)dυ_х.

12. При низком давлении плазма может быть неравновесной. В чем проявляется неравновесность? Гарантировано ли при этом распределение частиц по скоростям в виде распределения Максвелла и распределение атомов по энергетическим уровням в виде распределения Больцмана?

13. Каков механизм излучения (спонтанный или вынужденный) имеется в виду при записи интенсивности линии ? Как интенсивностьсвязана с температурой в условиях равновесной плазмы?

14. Согласно формуле (1) -ому уровню приписывается энергия(значения энергиидля атома железа, используемые в работе, приведены в таблице). От какого уровня энергии ведется отсчет-ого уровня?

15. Можно ли определить температуру дуги по одной спектральной линии? По двум спектральным линиям? Для чего в данной работе берется много линий атома железа? Какой график строится для определения температуры?

16. Для чего нужна характеристическая кривая (кривая почернения)?

17. Почему в сфотографированном вами спектре дуги между железными электродами в основном присутствуют спектральные линии атомов железа, и почти нет спектральных линий молекул и атомов азота, кислорода и других частиц воздуха?

18. Как изменится температура плазмы, если ввести в плазму дополнительно атомы с малым потенциалом ионизации (Li, Na, K)?

Рекомендуемая литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учебное пособие для вузов. В 5 т. Т.III. Электричество. – 4-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004. – 656 с. §§109, 118, 120 и 121.

2. Райзер Ю.П.. Физика газового разряда: Учеб. руководство. – М.: Наука, 1987. – 528 с. Глава 1. Введение. §§1, 2 с.11-16. Глава 2. Упругие столкновения электронов и ионов с атомами, молекулами и друг с другом. §9, с.54-56. Глава 3. Неупругие столкновения электронов с атомами и молекулами. §§1, 2, с.59-70. Глава 5. Образование и гибель заряженных частиц в газе. §1, с.113-117. Глава 12. Бесконтактные методы диагностики плазмы. §§1, 2, с.300-307.

3. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы: Учеб. для физ. спец. университетов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1988 . – 424 с. Ч.1. Электромагнитные свойства термически равновесной плазмы. Глава 1. §§1.1, 1.2, 1.3, и 1.4, с.5-15.