§ III.9.6. Некоторые сведения о плазме

1°.Плазмойназывается особое состояние вещества, важнейшим свойством которого является преимущественная, доходящая до полной, ионизация частиц.Степенью ионизацииαназывается отношение числа ионизированных частиц к их первоначальному количеству. Классификация плазмы по степени ионизации:слабо ионизованная(αсоставляет доли процента),умеренно ионизованная(α– несколько процентов),полностью ионизованная(αблизко к 100%).

Слабо ионизованная плазма существует в ионосфере– проводящем слое атмосферы, простирающемся на высотах от 60 км до 2 · 10⁴км от поверхности Земли.

Полностью ионизованная плазма, образующаяся при сверхвысоких температурах (высокотемпературная плазма), существует на Солнце и на горячих звездах.

В лабораторных условиях плазма создается в газовых разрядах (III.9.5.1°), газоразрядных источниках света. Ускоренная плазма используется как рабочее тело (II.4.1.1°) в реактивных двигателях. Плазма может быть также использована для прямого превращения внутренней энергии в электрическую (магнитогидродинамические генераторы, плазменные источники электрической энергии).

Большое число заряженных частиц в плазме обусловливает ее большую электропроводность и делает ее проводником электрического тока.

2°. Условием существования плазмы является некоторая минимальная плотностьρ_минзаряженных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме, а не о простом скоплении отдельных заряженных частиц. Плотностьρ_минопределяется из неравенства:L≫D, гдеL– линейный размер системы заряженных частиц,D– характерный «плазменный» параметр – расстояние, называемоедебаевским радиусом экранирования:(в системе СГСЭ), гдеe_i– заряд,n_i– концентрация,T_i– температураi-го сорта частиц,k– постоянная Больцмана (II.1.4.5°). Суммирование производится по всем сортам частиц.Dпредставляет собой расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любой плазмы. Причиной экранирования является то, что любой заряд преимущественно окружен частицами с зарядами противоположного знака.

Более точное определение плазмы: квазинейтральный коллектив большого числа заряженных частиц, занимающий область пространства с линейными размерами L≫≫D. Нарушения квазинейтральности приL≫Dвосстанавливаются за счет возникающих в плазме сильных восстанавливающих электрических полей. Дебаевский радиус экранирования характеризует взаимодействие частиц в плазме. Оказывается, что, где. ЗдесьW_п– потенциальная энергия взаимодействия двух частиц, находящихся на среднем расстоянии друг от друга, равномn^-1/3(n– концентрация частиц),W_к– кинетическая энергия этих частиц. ВеличинаNесть общее число заряженных частиц в сфере радиусаDи называетсядебаевским числом. ЕслиNвелико, то плазма называетсягазовой(газовая плазма) и термодинамически рассматривается как идеальный газ с уравнением состоянияp=nkT(II.1.4.5°).

3°. Кулоновское дальнодействующее взаимодействие заряженных частиц в плазме приводит к качественному своеобразию плазмы, позволяющему считать ее особым,четвертым агрегатным состоянием вещества.

Важнейшие свойства плазмы:

а) сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями, связанное с ее высокой электропроводностью;

б) специфическое коллективное взаимодействие частиц плазмы, осуществляемое посредством особого поля, природа которого не может быть рассмотрена в рамках данного справочника;

в) благодаря далеким взаимодействиям плазма является своеобразной упругой средой, в которой легко возбуждаются и распространяются различного рода колебания и волны.

4°. Движение плазмы в магнитном поле используется в методе прямого преобразования внутренней энергия ионизованного газа в электрическую.

Метод осуществлен вмагнитогидродинамических генераторах(МГД-генератор). Принцип действия МГД-генератора заключается в следующем: газ, возникающий при сгорании топлива и представляющий собой плазму, движется в сильном поперечном магнитном поле. В электропроводящей плазме, как и в любом проводнике, движущемся в таком поле, возникает явление электромагнитной индукции (III.12.1.1°). Э. д. с. индукции можно снять с помощью электродов во внешнюю цепь. На рис. III.9.4 приведена схема устройства МГД-генератора. Ионизованный газ, возникающий при сгорании топлива, проходит через сопло и его внутренняя энергия превращается в кинетическую. При движении такого газа в поперечном магнитном поле B под действием индуцированного электрического поля положительные ионы движутся к верхнему электроду, свободные электроны – к нижнему. При замыкании электродов на внешнюю нагрузку в цепи возникает ток.

5º. В плазме возможно состояние термодинамического равновесия при определенной температуре, когда убыль числа заряженных частиц вследствие рекомбинации (III.9.4.1°) восполняется новыми актами ионизации. В такой плазме имеет место равенство средних кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. Процессы обмена энергий между частицами в такой плазме, а также обмен энергией плазмы с черным излучением (V.5.1.8º) являются равновесными процессами (II.1.3.7°). Плазма с такими свойствами называетсяизотермической плазмой. Она существует в атмосфере звезд, имеющих высокую температуру.

Условием высокой степени ионизации термодинамически равновесной плазмы, состоящей из двух сортов заряженных частиц, имеющих равные по величине и противоположные по знаку заряды, является максимальное снижение рекомбинации частиц (III.9.4.1°). Полностью ионизованная плазма может быть получена при kT≫eφ_i, гдеφ_i– потенциал ионизации атомов газа (III.9.4.3°),kT– средняя энергия теплового движения частиц плазмы. Для водорода и дейтерия этому соответствуетТ≈ 160 000 К. В этих условиях существенную роль играет излучение плазмы и затруднена изоляция плазмы от стенок (п. 7º).

6°. В плазме газового разряда (III.9.5.1º) (газоразрядная плазма) отсутствует термодинамическое равновесие (п. 5°). Заряженные частицы в такой плазме находятся в ускоряющем электрическом поле.

Средняя кинетическая энергия электронов в газоразрядной плазме характеризуется некоторой электронной температурой Т_е, соответствующей мзксвелловскому распределению электронов по энергиям (II.3.3.7°). В связи с отсутствием термодинамического равновесия в такой плазмеТ_еимеет условный характер. Средняя кинетическая энергия нейтральных частиц значительна меньше, чем средняя кинетическая энергия электронов. Помимо электронной температурыТ_епараметрами газоразрядной плазмы являются: концентрация электроновп_е, число актов ионизации, приходящихся на один электрон в одну секунду, плотность ионного или электронного тока, продольная напряженностьE_zэлектрического поля, установившегося вдоль оси симметрии плазмы.

7°. Возможность существования термодинамически неравновесной газоразрядной плазмы обеспечивается энергией проходящего через плазму разрядного тока. При отсутствии внешнего электрического поля газоразрядная плазма исчезает.

Деионизацией газаназывается исчезновение неподдерживаемой, предоставленной самой себе газоразрядной плазмы.

Кроме процессов ионизации и рекомбинации (III.9.4.1°) в балансе энергии плазмы, существующей в ограниченном объеме, большую роль играет взаимодействие плазмы со стенками, ограничивающими ее объем, излучение плазмы и перенос в ней излучения. Диффузия заряженных частиц на стенки и их рекомбинация на стенках, передача энергии стенкам теплопроводностью в плазме (II.3.8.2°) загрязняют плазму примесями и уменьшают ее энергию. Во избежание этих явлений плазму стремятся удержать от соприкосновения со стенками магнитным полем.

Излучение плазмы в оптическом диапазоне и далеком ультрафиолете состоит из тормозного излучения электронов, возникающего при торможения электронов на ионах, обычного излучения возбужденными частицами, рекомбинационного излучения, происходящего в процессе рекомбинации (III.9.4.1°). В магнитном поле плазма имеет еще особое бетатронное (синхротронное) излучение, рассмотрение которого выходит за рамки данного справочника.