Лекция № 1.
Плазма – коллективное состояние заряженных частиц ионизованного газа. Пространственные и временные масштабы разделения зарядов в плазме. Идеальная и неидеальная, вырожденная плазма. Холодная (газоразрядная), горячая и релятивистская плазма.
I.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ
Влитературе можно встретить различные определения плазмы. Например,
«Плазма – основное состояние материи Вселенной».
«Плазма – четвертое состояние вещества».
«Плазма – ионизованный газ, обладающий свойством квазинейтральности»
Плазма |
Плазма Солнца |
спиралевидные |
|
галлактик |
|
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках
Строение звезд
Можно определить время жизни звезды на главной последовательности как время горения водорода в ядре. Внутреннее строение звезды меняется за время жизни на ГП.
Для Солнца время жизни на ГП составит 1010лет. Современный возраст Солнца оценивается как 4.5 109 лет.
Схема внутреннего строения Солнца на начальной ГП и в конце жизни, когда уже почти полностью выгорел водород:
Конвективная оболочка 
Зона лучистого переноса Энерговыделяющее ядро
Гелиевое ядро
Однородный водородный состав
Плазма газовых разрядов в Природе
Плазма шаровой молнии
Шаровая молния - светящийся сфероид, обладающий большой удельной энергией, образующийся нередко вслед за ударом линейной молнии. Длительность существования шаровой молнии от секунд до минут, а исчезновение может сопровождаться взрывом. Природа шаровой молнии ещё не выяснена.
Дебаевский радиус.
Схема разделения зарядов
Радиус Дебая:
•Расходящиеся на расстояние x заряды создают электрическое поле, которое можно определить из одномерного уравнения Пауссона: , так что Е=4 nex, где n - концентрация плазмы (концентрация электронов и ионов ).
•Максимальное расстояние, на которое могут разойтись заряды, и было названо
дебаевским радиусом по имени немецкого физика Дебая, который впервые его ввел, исследуя явление электролиза.
rсм[ ] |
kT |
7 |
T[K] |
500 |
|
TэВ[ ] |
|
|
|
|
|
||||
d |
4 ne2 |
nсм[ |
3 ] |
n [см 3 ] |
|||
|
|||||||
Плазменная частота
Полагая, что ионы покоятся, рассмотрим движение электрона в электрическом поле Е. Уравнение движения электрона
m x eE 4 ne |
2 |
x, |
|
e |
|
|
|||
e |
|
|
где |
m - масса электрона, |
|
|
|
совпадает с уравнением движения для одномерного осциллятора, то есть электрон будет совершать колебания с частотой, которая получила название плазменной или электронной ленгмюровской частоты:
|
|
[ |
1 |
] |
4 ne2 |
5.6 |
nсм[ |
3 ], |
p |
c |
m |
||||||
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
Критерий квазинейтральности плазмы
• пространственный критерий квазинейтральности плазмы
имеет вид: |
rdхар= l |
|
•временной критерий квазинейтральности плазмы имеет вид:
1 = tхар
•радиус Дебая может бытьp связан с плазменной частотой соотношением:
• |
r V |
1 |
dТe |
p |
|
|
так что временной критерий вытекает из пространственного. |
|
Классификация видов плазмы.
• Плазма называется идеальной, если |
kT ? e2n1/ 3 |
•Если для характеристики плазмы ввести величину, равную количеству частиц в дебаевской сфере (число Дебая):
N |
|
|
4 |
nr3 |
5 103 |
T 3/ 2 |
[K] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
, то условие идеальности примет вид: |
|
|
|
|
||||||
|
d |
|
3 |
d |
|
1/ 2 |
3 |
] |
|
|
|
|
|
|
|
nсм[ |
|
Nd |
? 1 |
||
Прямая |
отделяет область идеальной плазмы и |
|||||||||
•
• h
Низкотемпературной (холодной или газообразной) плазмой: m V
называют плазму, у которой средняя энергия электронов e e меньше потенциала ионизации атомов газа (T < 10 эВ).
1
n3/ 2