Формирование понятия «плазма» в школьном курсе физики

Плазма - это материальная среда, образованная коллективом частиц, которые

взаимодействуют друг с другом. Свободные заряженные частицы, особенно

электроны, легко  перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в

состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы

отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг

друга так, чтобы  полное поле внутри плазмы было равно  нулю. Именно отсюда

вытекает необходимость  практически точного равенства  концентраций электронов

и ионов в плазме - ее квазинейтральность. Нарушение квазинейтральности плазмы

связано с разделением  зарядов, обусловленным смещением  группы электронов

относительно ионов. Это должно приводить к возникновению  электрических полей,

которые стремятся  скомпенсировать

созданное возмущение и тут же восстановить квазинейтральность. Поля растут с

увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы могут достигать

больших значений.

Для оценки напряженности  поля, возникающего при нарушении  нейтральности

плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло  полное разделение

зарядов

и внутри этого  объема остались только заряды одного знака. Электрическое поле

в рассматриваемой  области определяется соотношением:

     ,                                            (4.1)

где Х - линейные размеры  области смещения. Потенциал плазмы в области

разделения зарядов  в связи с этим изменится на

     ,                                        (4.2)

Рассмотрим пример. Пусть полностью ионизованная плазма получена из водорода,

находящегося при  температуре Т = 300 К и давлении 1 мм рт. ст. В каждом

кубическом сантиметре такой плазмы будет по

ионов и электронов. Поэтому, если резкое нарушение квазинейтральности произойдет

в объеме с характерным  размером х, порядка 1 мм, то электрическое поле

превзойдет 10¹² В / м, и в пределах этого объема возникнет разность

потенциалов порядка 10⁹ В. Ясно, что подобное разделение зарядов

совершенно нереально. Даже в гораздо более разреженной  плазме резкое нарушение

квазинейтральности в указанных объемах будет немедленно ликвидироваться

возникающими электрическими нолями. Поле будет выталкивать из объема, где

произошла декомпенсация  зарядов, частицы одного знака и втягивать в эту область

частицы противоположного знака. Однако, если выделить в плазме достаточно малый

объем, квазинейтральность в нем может и не сохраниться, т.к. поле, созданное

избытком частиц одного знака, окажется слишком слабым для того, чтобы

существенно повлиять на движение частиц.

Итак, квазинейтральность - это приблизительное равенство объемных

плотностей положительных  и отрицательных зарядов.

     ? Что такое квазинейтральность?

     ? Опишите процессы, происходящие в плазме при нарушении ее нейтральности.

     ? Чем квазинейтральность отличается от истинной нейтральности?

                   Задачи для самостоятельного решения                  

     4.1. Получите формулу для напряженности и потенциала электрического поля

                      в рассмотренном в параграфе  примере.                     

     4.2. Найдите напряженность электрического поля и возникающую разность

потенциалов при  нарушении квазинейтральности плазмы солнечной короны в объеме с

характерным размером 1 м. используя данные, приведенные  в «Приложении»

                         § 5. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАЗМЫ                        

Введение величины Т как температуры плазмы оправдано только тогда, когда средняя

кинетическая энергия  электронов и ионов одинакова. В  общем случае в плазме

следует различать  по меньшей мере две температуры - электронную Т_e и

ионную T_i. По аналогии с температурой газа, которая вводится по

формуле , можно

ввести эти температуры  из равенств:

       ,          

В плазме, которая  создается в лабораторных условиях или в приборах, T_e

обычно значительно  превосходит Т_i. Например, оказывается, что

К при К. Различие

между T_e и Т_i, обусловлено громадной разницей в массах

электрона и иона. Внешние источники электрического питания, с помощью которых

создается плазма (при различных формах разряда  в газах),

передают энергию  электронной компоненте плазмы, т.к. именно электроны являются

носителями тока. Ионы приобретают тепловую энергию  в основном в результате

столкновений с  быстро движущимися электронами. При  таких столкновениях

относительная доля кинетической энергии электрона, которая  может быть передана

иону, не должна превышать 

. Средняя доля  энергии, передаваемой при столкновении, еще меньше. Поскольку m

_e<<m_i, то электрон должен испытать большое количество

(тысячи) столкновений  для того, чтобы полностью отдать  имеющийся у него излишек

энергии. Поскольку  параллельно процессам обмена тепловой энергией между

электронами и  ионами идет процесс приобретения энергии  электронами от

источников электрического питания и одновременно с этим энергия уходит из

плазмы вследствие различных механизмов теплопередачи, при электрическом разряде

обычно поддерживается большая разность температур электронов и ионов. Этот

перепад, как правило, снижается при увеличении концентрации плазмы, потому что

число столкновений между электронами и ионами в  заданном объеме плазмы растет

пропорционально квадрату концентрации. Итак, такая  плазма - это неравновесное,

или, как говорят, неизотермическое состояние вещества.

     Высокотемпературная плазма, возникающая в результате термической ионизации,

является  равновесной, или изотермической плазмой. Другими

словами, изотермическая плазма - это плазма, у которой

температуры всех компонент равны. Степень ее ионизации  очень велика, благодаря

чему она является очень хорошим проводником - проводимость высокотемпературной

плазмы сопоставима с проводимостью металлов.

     Неизотермической плазмой называется термодинамически

неравновесная плазма, в которой  средние энергии  теплового движения различных

сортов  частиц (электронов, ионов, атомов) неодинаковы. Такую плазму нельзя

охарактеризовать  с помощью одного определенного  значения температуры. В

неизотермической  плазме каждый сорт частиц находится  в квазиравновесном

состоянии со своим значением температуры.

В зависимости  от значения ионной температуры различают  низкотемпературную

плазму (T_i < 10⁵ К) и высокотемпературную

плазму

(T_i > 10⁷ К).

     ? Когда оправдано введение термина температура плазмы?

     ? Почему оказывается различной ионная и электронная температура?

     ? Какую плазму называют изотермической?

     ? В чем заключается особенность неизотермической плазмы?

     ? Как подразделяют плазму в зависимости от значения ионной

температуры?

     ? Приведите примеры низкотемпературной и высокотемпературной

плазмы.

                   Задача для самостоятельного решения                  

     5.1. Вычислите дебаевский радиус экранирования для плазмы гелий-неонового

лазера.

                    § 6. ВМОРОЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ                   

Вмороженность магнитного поля - один из эффектов, характерных для жидких и

газообразных сред, обладающих высокой (в идеальном  случае - бесконечной)

проводимостью СУ и движущихся поперек магнитного поля (например, для жидких

металлов и плазмы). В этих условиях силовые линии  магнитного поля и частицы

среды жестко связаны  друг с другом. Можно сказать, что  магнитные силовые

линии как бы вморожены  в среду, перемещаясь вместе с  ней.

Вмороженность магнитного поля основана на том, что в идеально проводящей среде

индуцируемое ее движением электрическое поле должно быть равно нулю, иначе в

соответствии с законом Ома в среде возник бы бесконечный ток, что невозможно.

Поэтому в силу закона электромагнитной индукции Фарадея  бесконечно проходящая

среда не должна пересекать силовые линии магнитного поля. Иначе  говоря,

магнитный поток  Ф = BΔS через поверхность ΔS,

опирающуюся на произвольный контур, движущийся вместе со средой, остается

постоянным. Сохранение магнитного потока приводит к тому, что движущиеся

поперек магнитного поля частицы среды «тянут» за собой силовые линии магнитного

поля, которые, таким  образом, «вмораживаются» в среду  в процессе ее движения.

Вмороженность магнитного поля характерна для сред с высоким магнитным числом

Рейнолдса:

     , где L и

- характерные масштаб  и скорость течения среды соответственно,       

-    магнитная  вязкость. Если R >> 1, т.е.

     то магнитное поле

вморожено в среду (например, в плазму). Эти условия  обычно выполняются в плазме

солнечного  ветра (большие L), в высокотемпературной плазме (большая

)

Вмороженность магнитного поля во многих случаях позволяет, не прибегая к

громоздким расчетам, с помощью простых представлений  получить качественную

картину течения  среды и деформации магнитного поля.

     ? Объясните процесс «вмораживания» магнитного

поля в плазму.

     ? При каком условии возможна вмороженность магнитного поля в

плазму?

                Задача для самостоятельного решения               

     6.1. Вычислите магнитное число Рейнолдса для солнечного ветра,

ионосферного слоя F_i, молнии.

              § 7. МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА И НЕУСТОЙЧИВОСТЬ             

                                  ПЛАЗМЫ                                 

Основными методами теоретического описания плазмы являются: исследование