§ 4.4. Идеальность плазмы
По аналогии с газом плазму считают идеальной, если кинетическая энергия движения ее частиц существенно больше потенциальной энергии их взаимодействия. В газе потенциальная энергия взаимодействия частиц обусловлена силами Ван - дер - Ваальса , в плазме – кулоновским взаимодействием. Энергия кулоновского взаимодействия двух частиц с зарядом е, находящихся на расстоянии R друг от друга, равна e 2 / R. Среднее расстояние между частицами при плотности плазмы n составляет R n -1/3 , а кинетическая энергия частицы по порядку величины равна температуре T, измеряемой в энергетических единицах. Таким образом, условие идеальности плазмы можно сформулировать следующим образом:
e 2 n -1/3 T, (4.14)
или
= e 6 n / T 1, (4.15)
где – параметр неидеальности.
Таким образом, плазмой называется газ, представляющий собой систему заряженных и нейтральных частиц, в которой полный заряд равен нулю и пространственный масштаб разделения зарядов гораздо меньше ее размеров. Классификация плазмы по основным параметрам приведена на рис. 4.4.
§ 4.5. Равновесная и неравновесная плазмы
Согласно термодинамике – науке о свойствах и поведении тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, плазма подразделяется на равновесную и неравновесную. В изолированной системе, когда плазма находится в состоянии равновесия с окружающей средой (например, в звездах), средняя кинетическая энергия всех составляющих ее частиц одинакова. Основным понятием термодинамики является температура – величина, характеризующая распределение энергии между частицами вещества. В состоянии теплового равновесия часицы плазмы имеют максвелловское распределение по скоростям (энергиям), и им можно приписать определенную температуру Т, одну и ту же для всех видов частиц:
Тэ= Ти= Тг= Т,
где Тэ, Ти, Тг– соответственно температура электронов, ионов и часиц газа. В связи с этим равновесную плазму называют еще изотермической.
Температуру удобно измерять в энергетических единицах. При этом под температурой понимают величину kT, характеризующую энергию, которая приходится на две степени свободы движения частицы вещества. Обычно за энергетическую единицу температуры принимают электрон – вольт. Для перевода в градусы применяется соотношение 1 эВ = 11600 К.
В равновесной плазме убыль заряженных частиц в результате рекомбинации непрерывно выполняется за счет ионизации. Точно также обстоит дело и сдругими элементарными процессами. Равновесие устанавливается, если прямой и обратный процессы имеют одинаковые скорости и идут одним и тем же путем.
Равновесная плазма может существовать без притока энергии извне. Однако по существу такая плазма встречается только в космических условиях. В лабораторных условиях размеры плазмы всегда ограничены. Таким образом, газоразрядная плазма всегда неизотермическая, и разница температур тем больше, чем меньше ее плотность. Поскольку уходящие из области плазмы частицы уносят энергию, ее нужно чем – то восполнять, иначе плазма исчезнет. В этом коренное отличие неизотермической плазмы от изотермической, которая может существовать практически неограниченное время без притока энергии извне. Неизотермическую плазму нужно поддерживать за счет энергии извне. Действительно, газовый разряд существует при наложении стационарных, импульсных или высокочастотных электрических полей.
При термодинамическом равновесии степень ионизации зависит только от температуры и плотности плазмы.
Предметом изучения нашего курса являются физико – химические процессы, осуществляемые с помощью низкотемпературной неравновесной разреженной плазмы, генерируемой электромагнитными полями в атомарных и молекулярных газах при пониженных давлениях.