Плазма – четвертое состояние вещества

 

      МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ОБЛАСТНОЙ

ГУМАНИТАРНЫЙ  ИНСТИТУТ 
 
 
 

физико-математический факультет

кафедра математики и физики 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа на тему:

«Плазма – четвертое состояние  вещества» 
 
 
 
 

                                Выполнила студентка

физико-математического  факультета

очного  отделения 

4 курса  группы 4-м-1

Панкова А.О. 

Научный руководитель:

Русаков О.В. 
 
 
 
 
 

 

Орехово-Зуево

2010 

Содержание

1. Введение:  Что такое плазма? ………………………………………стр3
2. Основная часть:

1. Поведение плазмы в электрических и магнитных полях:

А) Плазма в электрическом поле …………………………..стр4

Б) Плазма в магнитном поле ………………………………...стр8

2. Устойчивость плазмы………………………………………стр18
3. Проблема удержания высокотемпературной плазмы…….стр20
4. Плазма во вселенной:

А) Откуда Солнце и звезды черпают свою энергию?.........стр26

Б) Как «устроено» Солнце?...................................................стр27

   3. Заключение ……………………………………………………………стр32

   4.  Список использованной литературы………………………………..стр33 
 
 
 
 
 

1.Введение

Что такое  плазма?

   Словом  «плазма» (от греч. «плазма» — «оформленное») в середине XIX в. стали именовать  бесцветную часть крови (без красных  и белых телец) и жидкость, наполняющую  живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881—1957) и Леви Тонко (1897—1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

   Английский  физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший  электрический разряд в трубках  с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают  для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

   В зависимости от температуры любое  вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом  состоянии, в интервале от 0 до 100 °С  - в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около

99 % массы  Вселенной. Солнце, большинство звёзд,  туманности — это полностью  ионизованная плазма. Внешняя часть  земной атмосферы (ионосфера)  тоже плазма.

   Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё  это различные виды плазмы, наблюдать  которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную  часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности.

   Под плазмой в физике понимают газ, состоящий  из электрически заряженных и нейтральных  частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т.е. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд). 
 
 
 
 

2. Основная часть

   1) Поведение плазмы в электрических и магнитных полях.

   А) Плазма в электрическом поле.

   Дебаевская  сфера

   Плазма  состоит из огромного числа положительных  и отрицательных зарядов, каждый из которых влияет на поведение всех остальных частиц плазмы. Так что  на первый взгляд кажется, что движение одной заряженной частицы в электрическом  поле очень мало относится к плазме. Строго говоря, это так. Но можно  представить, что плотность частиц в плазме мала. Такую плазму называют разреженной. Так как частицы в ней находятся довольно далеко друг от друга, то их взаимодействием можно пренебречь и считать, что движение частиц определяется лишь действием внешнего поля.

   Приведенное описание разреженной плазмы можно  назвать моделью независимых частиц.

   

                                   Рис.1              Рис.2

   Кулоновское электрическое поле существует, как  известно, во всем пространстве вокруг заряда (рис. 1); оно исчезает только на бесконечно большом расстоянии от заряда. Если же рассмотреть поле того же заряда в плазме, т.е. в совокупности большого числа разноименно заряженных частиц, то получается иная картина: поле данного заряда не простирается до бесконечности, а обрывается (как говорят физики, экранируется), начиная с некоторого расстояния (рис. 2). Это расстояние R_D получило название дебаевского радиуса (по имени Немецкого физика Дебая). Дебаевский радиус определяется формулой 

где Т—абсолютная температура, а n — концентрация электронов. Таким образом, электрическое поле заряженной частицы в плазме имеется только внутри сферы радиуса R_D- Ее называют дебаевской сферой. Вне дебаевской сферы электрического поля нет. Так что частицы в плазме взаимодействуют друг с другом только тогда, когда они находятся на расстоянии, меньшем дебаевского радиуса.

   Внутри  сферы с дебаевским радиусом, который  характеризует эффективное расстояние взаимодействия частиц, находится очень  много заряженных частиц плазмы.

   Согласно  условию квазинейтральности плазмы концентрация отрицательно заряженных частиц должна мало отличаться от концентрации положительно заряженных частиц. Это условие выполняется, если линейные размеры l области, заполненной смесью заряженных частиц, намного больше дебаевского радиуса, т.е. l>>R_D. Если же l<<R_D, то условие квазинейтральности не выполняется. Таким образом, если в плазме выделить какую-либо заряженную частицу, то, собственно говоря, плазма находится за пределами дебаевской сферы, окружающей эту частицу.

   Дебаевский  радиус является очень важной характеристикой плазмы. В частности, он определяет так называемый ленгмюровский слой. Этот слой образуется при соприкосновении плазмы с твердым телом (например, с зондом). Так как электроны в плазме имеют большую скорость, чем ионы, то число электронов, попадающих на зонд, больше, чем число ионов. Поэтому зонд заряжается отрицательно. Между зондом и плазмой возникает электрическое поле, которое препятствует движению электронов. Когда движение электронов прекратится, вокруг отрицательно заряженного зонда возникает слой положительного заряда. Толщина этого слоя определяется величиной дебаевского радиуса R_D.

   Рассеяние заряженных частиц

   Экранирование электрического поля заряда в плазме приводит к тому, что кулоновское  взаимодействие заряженных частиц происходит только внутри дебаевской сферы. Значит, то, что было написано ранее о  движении частицы в кулоновском  поле, в плазме справедливо лишь на расстояниях, меньших дебаевского  радиуса. Но внутри дебаевской сферы  находится много заряженных частиц плазмы. Их движение называют рассеянием заряженных частиц кулоновским центром. Что под этим подразумевается? Представьте, что на неподвижный заряд, который называют рассеивателем, «падает» пучок заряженных частиц. Из-за взаимодействия с неподвижным зарядом каждая из частиц пучка отклоняется и притом по-разному. Это и есть рассеяние падающего пучка. Всякое рассеяние характеризуется эффективным сечением σ. Пучок нейтральных частиц (например, шариков) рассеивается только после непосредственного столкновения с рассеивающей частицей. Такие столкновения происходят в том случае, когда расстояние между центрами шариков меньше или хотя бы равно сумме радиусов шариков (рис. 3). Площадь круга с радиусом, равным сумме радиусов шариков, и есть в этом случае эффективное сечение рассеяния: 

   

   Рис. 3

   Всякий  налетающий шарик, «метящий» в такую  площадь вокруг рассеивающего шарика, обязательно отклонится. Если же шарик  не попадает в указанную мишень, он может пролететь, даже не «почувствовав» присутствия рассеивающего шарика. Другое дело, если мы имеем заряженные частицы. Они будут рассеиваться не только при непосредственном столкновении с рассеивающим центром, но даже проходя  далеко от него. Ведь заряженные частицы  взаимодействуют через свои электрические  поля, совершенно не соприкасаясь друг с другом. В плазме кулоновское  поле заряда обрывается (экранируется) на расстоянии, равном дебаевскому  радиусу, поэтому при изучении рассеяния  заряженных частиц в плазме рассматривают  три характерные области: 1) область  близких столкновений, 2) область  далеких столкновений и 3) область, расположенная  вне дебаевского радиуса.

   В области «близких» столкновении из-за большой силы взаимодействия частиц происходит резкое искривление  траектории.

   В области «далеких» столкновении сила взаимодействия частиц мала, и  траектория мало искривляется. Следует  иметь в виду, что и в этом случае окончательное изменение  направления вектора скорости может  быть большим, так как действие слабой силы происходит на протяжении большого промежутка времени. Граница между  областью «близких» и «далеких»  столкновений очень условна. За верхнюю  границу области «далеких» столкновений принимают дебаевский радиус.

   Вне дебаевского радиуса кулоновского взаимодействия между частицами  нет, и там начинается третья область, область коллективных, или плазменных, взаимодействий.

   О столкновении можно говорить только условно (т.к. частицы взаимодействуют  на расстоянии и друг с другом не сталкиваются), понимая под этим искривление траектории при взаимодействии. Заряженные частицы, рассеиваемые кулоновским  центром, не изменяются при рассеянии. Поэтому это рассеяние можно  рассматривать как упругое.

   Чем больше скорость заряда (его кинетическая энергия), тем меньше эффективное  сечение. Полю, рассеивающему заряженные частицы, «труднее» отклонить быстро движущиеся частицы, чем частицы, движущиеся медленно.

    Эффективное сечение «далеких» столкновений в плазме примерно в 10 раз больше эффективного сечения «близких»  столкновений. Это означает, что  в плазме больший эффект дают «далекие»  столкновения, чем близкие. Поэтому  при изучении плазмы близкие столкновения часто совсем не учитывают.

     

               Рис.4       Рис.5

   А какова траектория заряженной частицы  в плазме? Из-за непрерывного кулоновского взаимодействия траекторией частицы  является какая-то плавная кривая линия. Поэтому говорить о столкновениях  можно довольно условно. Следовательно, когда говорят о столкновении частиц плазмы, то подразумевают, что плавный путь частицы (рис. 5) мы заменяем приближенно ломаной кривой (рис.4), которая совершенно аналогична траектории нейтральной частицы.

     «Убегающие» электроны

   Сейчас  остановимся на одном очень интересном явлении в плазме — явлении  «убегающих» электронов. Его часто  называют еще «просвистом» электронов. Оно состоит в том, что при  некоторой величине напряженности  электрического поля в плазме электроны  начинают неограниченно ускоряться — двигаться со все большей  и большей скоростью. Почему это  происходит?

   Электроны и ионы, помещенные в одно и то же электрическое поле, двигаются  с разными скоростями. И на электрон, и на однозарядный ион в электрическом  поле действуют одинаковые по величине силы. Но масса электрона почти  в 2000 раз меньше массы иона. Поэтому из второго закона Ньютона следует, что ускорение электрона почти в 2000 раз больше ускорения иона. За один и тот же промежуток времени электрон приобретает гораздо большую скорость, чем ион. Значит, электрон более подвижен, чем ион. Движению электронов препятствуют столкновения с ионами. Но, чем больше скорость движущейся частицы (электрона), тем меньше сечение столкновений. Другими словами, электроны с большими скоростями почти не испытывают столкновений с ионами. В плазме электроны совершают тепловое движение. Поэтому имеет место определенное распределение электронов по скоростям. Это означает, что большая часть электронов движется с примерно одинаковыми скоростями, в то время как скорости остальных электронов имеют самые разнообразные значения.