§ 108. Плазма и ее свойства

Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации  — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины  говорят о слабо ( составляет доли процента), умеренно (— несколько процентов) и полностью ( близко к 100 %) ионизованной плазме.

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обладают различной средней кинетической

энергией. Это означает, что температура Т_е электронного газа одна, а ионного Т_и— другая, причем Т_е>Т_и. Несоответствие этих температур указывает на то, что газоразрядная плазма является неравновесной, поэтому она называется также неизотермической. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газоразрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение действия электрического поля приводит к исчезновению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма является равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В такой плазме соблюдается равенство средних кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звездные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы является некоторая минимальная плотность заряженных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где L — линейный размер системы заряженных частиц, D — так называемый дебаевский радиус экранирования, представляющий собой то расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими основными свойствами: высокой степенью ионизации газа, в пределе — полной ионизацией; равенством нулю результирующего пространственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); большой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электронами, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; колебаниями электронов в плазме с большой частотой (~=10⁸ Гц), вызывающими общее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» — одновременным взаи-

175

модействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодействуют друг с другом попарно). Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать многие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма — наиболее распространенное состояние вещества, а с другой — открывает принципиальные возможности осуществления управляемого термоядерного синтеза. Основным объектом исследований по управляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (~=10⁸ К) из дейтерия и трития (см. § 268).

Низкотемпературная плазма (< 10⁵ К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) — установках для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспективных для длительных космических полетов.

Низкотемпературная плазма, получаемая в плазмотронах, используется для резки и сварки металлов, для получения некоторых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.

Контрольные вопросы

• Какие опыты были поставлены для выяснения природы носителей электрического тока в металлах?

• Каковы основные идеи теории Друде — Лоренца?

• Сравните порядок средних скоростей теплового и упорядоченного движения электронов в металлах (при условиях, близких к нормальным и приемлемых в электротехнике).

• Почему тепловое движение электронов не может привести к возникновению электрического тока?

• Выведите на основе классической теории электропроводности металлов дифференциальную форму законов Ома и Джоуля — Ленца.

• Как классическая теория электропроводности металлов объясняет зависимость сопротивления металлов от температуры?

• В чем заключаются трудности элементарной классической теории электропроводности металлов? Каковы границы ее применения?

• Что называется работой выхода электрона и чем она обусловлена? От чего она зависит?

• Какие существуют разновидности эмиссионных явлений? Дайте их определения.

• Объясните вольт-амперную характеристику для вакуумного диода.

• Можно ли изменять силу тока насыщения вакуумного диода? Если да, то как?

• Каким образом можно вырвать электроны из холодного катода? Как называется это явление?

• Дайте объяснение качественной зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии диэлектрика от энергии падающих электронов.

• Охарактеризуйте процесс ионизации; рекомбинации.

• В чем отличие самостоятельного газового разряда от несамостоятельного? Каковы условия, необходимые для его существования?

• Может ли возникнуть ток насыщения при самостоятельном газовом разряде?

• Охарактеризуйте типы самостоятельного газового разряда. В чем их особенности?

• К какому типу газового разряда относится молния?

• В чем отличие равновесной плазмы от неравновесной?

• Приведите основные свойства плазмы. Каковы возможности ее применения?

176

Задачи

13.1. Концентрация электронов проводимости в металле равна 2,5•10²² см^-3. Определить среднюю скорость их упорядоченного движения при плотности тока 1 А/мм². [0,25 мм/с]

13.2. Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определить, во сколько раз увеличится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К. [В 290 раз]

13.3. Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определить скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10^-18 Дж. [1,15 Мм/с]

13.4. Воздух между пластинами плоского конденсатора ионизируется рентгеновским излучением. Сила тока, текущего между пластинами, 10 мкА. Площадь каждой пластины конденсатора равна 200 см², расстояние между ними 1 см, разность потенциалов 100 В. Подвижность положительных ионов b₊ = 1,4 см²/(В•с) к отрицательных b_- = 1,9 см²/(В•с); заряд каждого иона равен элементарному заряду. Определить концентрацию пар ионов между пластинами, если ток далек от насыщения. [9,5•10¹⁴ м^-3]

13.5. Ток насыщения при несамостоятельном разряде равен 9,6 пА. Определить число пар ионов, создаваемых в 1 с внешним ионизатором. [3•10⁷]

* Это явление получило в древности название огней святого Эльма.

* К. Рикке (1845—1915) — немецкий физик.