- •Глава II. Постоянный электрический ток §5. Электрический ток. Условия существования электрического тока
- •§6. Основные характеристики постоянного электрического тока
- •§7. Законы постоянного тока
- •7.1. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах
- •Пример 1. Коаксиальный кабель с утечкой
- •Пример 2. Сопротивление заземления в линиях связи
- •7.2. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца
- •§8. Классическая теория электропроводности металлов и ее недостатки.
- •§9. Источники постоянного тока. Э.Д.С. Закон Ома для неоднородного участка
- •§10. Разветвленные электрические цепи. Правила Кирхгофа
- •§11. Электрический ток в газах
- •11.1. Несамостоятельный и самостоятельный разряды и их характеристики
- •11.2. Виды самостоятельного разряда
- •11.3. Понятие о плазме
11.3. Понятие о плазме
При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т.е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие атомы, которые затем превращаются в ионы.
С
вободные
заряженные частицы, особенно электроны,
легко перемещаются под действием
электрического поля. Поэтому в состоянии
равновесияпространственные
заряды
входящих в состав плазмы отрицательных
электронов и положительных ионов должны
компенсировать друг друга так, чтобы
полное поле внутри плазмы было равно
нулю. Отсюда вытекает необходимость
точного равенства плотностей электронов
и ионов – квазинейтральность
плазмы.
Нарушение квазинейтральности в объеме,
занимаемом плазмой, ведет к появлению
сильных электрических полей,
восстанавливающих квазинейтральность.
Оценим размеры области, в которой могут
происходить заметные нарушения
квазинейтральности. Предположим, что
заряды положительных и отрицательных
частиц одинаковы и равны элементарному
заряду e.
Пусть такая
плазма заполняет пространство между
плоскостями AB
и MN
(рис. 11.5). Допустим, что из-за тепловых
флуктуаций отрицательные заряды
сместились на расстояние l.
Тогда на границах плазмы возникнут
макроскопические заряды противоположных
знаков с поверхностной плотностью
= n
l e,
где n
– концентрация
частиц одного знака заряда. Напряженность
электрического поля в плазме будет Е
=
=
n l e,
а плотность
электрической энергии Е2/2
= (n l e)2/2.
Поскольку
энергия электрического поля в плазме
черпается из кинетической энергии
теплового движения частиц газа, величина
Е2/2
не может
превосходить 3
n k T.
Следовательно,
если
опустить численный коэффициент 3,
то должно быть
(n
l e)2/2
<
n k T или
l
< D, где
(11.10)
Величина D называется дебаевской длиной или дебаевским радиусом. Таким образом, чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус D. Электрическое поле отдельной частицы в плазме экранируется частицами противоположного знака, т.е. практически исчезает, на расстояниях порядка D от частицы.
В зависимости от степени ионизации различают слабо ионизированную (при порядка долей процента), умеренно ионизированную ( - несколько процентов) и полностью ионизированную плазму. В земных природных условиях плазма встречается довольно редко (например, в канале молнии). В верхних слоях атмосферы, в большей степени подверженных воздействию ионизирующих факторов (ультрафиолетовые и космические лучи), постоянно присутствует слабо ионизированная плазма – ионосфера, отражающая радиоволны и делающая возможной радиосвязь на больших расстояниях. В космическом пространстве плазма представляет собой наиболее распространенное состояние вещества. Солнце и горячие звезды, имеющие высокие температуры, состоят из полностью ионизированной плазмы. Поэтому многие проблемы астрофизики связаны с изучением физических свойств плазмы.
Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут отличаться одна от другой. В таком случае плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры T и различают электронную температуру Te , ионную температуру Ti и температуру нейтральных атомов Ta. Подобная плазма называется неизотермической, в то время как плазма, для которой температуры всех компонентов равны, называется изотермической.
Применительно к плазме несколько необычный смысл вкладывается в понятия "низкотемпературная" и "высокотемпературная". Низкотемпературной принято считать плазму с Ti 105 К , а высокотемпературной – плазму с Ti 106 – 108 К и более. Это условное разделение связано с особой важностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза. Для осуществления термоядерной реакции рабочее вещество необходимо нагреть до температуры в несколько кэВ или десятков кэВ, а при таких температурах всякое вещество находится в состоянии плазмы.
Т
ак
как термоядерные реакции должны
происходить сравнительно плавно и
медленно, то возникает необходимость
достаточно длительного удержания
горячей плазмы в ограниченном объеме
рабочей камеры и изоляции ее от стенок
этой камеры. Для этого можно использоватьмагнитную
термоизоляцию,
т.е. помещать плазму в сильное магнитное
поле, препятствующее ионам и электронам
перемещаться в поперечном направлении
и уходить от стенки камеры. Основная
трудность, стоящая на пути создания
управляемого термоядерного синтеза,
связана с получением спокойной
или устойчивой
плазмы.
Самым интересным природным объектом, состоящим из слабо ионизированной плазмы, является ионосфера. Ионосфера – ионизированная верхняя часть атмосферы – расположена выше 50 км. Благодаря высокой проводимости и специфическим свойствам, ионосфера оказывает значительное влияние на распространение радиоволн. Из-за наличия ионосферы связь по радиолинии "Земля – Космос" возможна с помощью радиоволн, частота которых (в зависимости от состояния ионосферы) превышает 5-30 МГц. Волны с меньшими частотами отражаются от ионосферы, и поэтому возможна радиосвязь между наземными пунктами, удаленными на большие расстояния.
Концентрация электронов и ионов в ионосфере распределена по высоте неравномерно: имеются области или слои, где она достигает максимума. Таких слоев несколько, они не имеют резко выраженных границ, их положение и интенсивность регулярно изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла (рис. 11.6).
Верхний слой F соответствует главному максимуму ионизации. Ночью он поднимается до высоты 300-400 км, а днем (преимущественно летом) раздваивается на 2 слоя F1 и F2. На высоте 90-150 км находится слой Е, а ниже 90 км область D.
В ионосфере непрерывно протекают процессы ионизации и рекомбинации. Основным источником ионизации ионосферы днем является коротковолновое излучение Солнца с длиной волны короче 103,8 нм, однако важны так же и корпускулярные потоки, галактические и солнечные космические лучи и др. Каждый тип ионизирующего излучения оказывает наибольшее действие на атмосферу лишь в определенной области высот, соответствующих его проникающей способности. Так, например, мягкое коротковолновое излучение Солнца с = 8,5 – 91,1 нм большую часть ионов образует на высотах 120 – 200 км, тогда как более длинноволновое излучение с = 91,1 – 103,8 нм вызывает ионизацию на высотах 95 – 115 км, т.е. в области Е, а рентгеновское излучение с короче 8,5 нм – в верхней части области D на высотах 85 – 100 км. В нижней части области D, ниже 60 – 70 км днем и ниже ночью, ионизация осуществляется т.н. галактическими космическими лучами.
В области D наблюдаются наиболее низкие концентрации носителей зарядов (ne < 109 m-3). От всей остальной части ионосферы область D отличается тем, что наряду с положительными ионами в ней наблюдаются отрицательные ионы, которые определяют многие свойства области D. При переходе от дня к ночи наблюдается резкое снижение концентрации электронов ne и соответственно уменьшается поглощение радиоволн. При солнечных вспышках на освещенной стороне Земли резко возрастает рентгеновская компонента, увеличивающая ионизацию области D, что приводит к увеличению поглощения радиоволн, а иногда даже к полному прекращению радиосвязи – эффект Делинджера. Продолжительность таких возмущений обычно 0,3 – 1,5 часа. Слои Е и F1 отличаются наиболее регулярными изменениями. Ночью из-за отсутствия ионизирующего излучения в области F1 концентрация носителей заряда резко падает, однако, в области Е обычно сохраняется довольно высокая концентрация. Поведение главного максимума или области F является очень сложным. Именно в этой области возникает такое удивительное природное явление, как северное сияние.
