Основы физики плазмы
Понятие плазмы Литература
Понятие плазмы В молнии Т ~ 2 х 104 К, n~ 2, 5 1019 (число электронов или ионов в см 3) (плотность воздуха) Такую плазму называют слабонеидеальной.
Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные Литература сияния.
Понятие плазмы. Плазма в космосе Литература NASA, ISAS, http: //www. spacescience. org / http: //sec. gsfc. nasa. gov/
Понятие плазмы. Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц Плазма (от греч. plasma — вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Термин «плазма» в физике был введён в 1923 американскими учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения параметров низкотемпературной газоразрядной плазмы.
Понятие плазмы. Плазма в космосе В состоянии плазмы находится подавляющая часть видимого вещества Вселенной — звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма. существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и Литература ионосферу. ISAS, http: //www. spacescience. org/ NASA, http: //sec. gsfc. nasa. gov/
Что такое плазма? Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами. плавление испарение ионизация Кулоновский барьер Ядерный барьер кристалл 1 э. В жидкость 1 э. В газ плазма 10 э. В термояд. плазма 10 кэ. В Энергия фазового перехода 10 Мэ. В
Система единиц-СГС Единица измерения - U=1 В + m. V 2 e. U= 2 -19 1 эв=1, 6*10 Дж 0 1 эв~10604, 5 K -1 1 эв= 8065, 48 см 1 э. В e. U[Дж] k. T[Дж] [э. В] T[э. В]
Понятие плазмы. Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц *кулоновское взаимодействие *тепловое движение *коллективные эффекты (согласованное движение частиц ) В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более «дальнодействующими» ), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме. является, строго говоря, не «парным» , а «коллективным» — одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на плазму (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в плазме объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфических свойств плазмы. .
Понятие плазмы. Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц *кулоновское взаимодействие *тепловое движение *коллективные эффекты (согласованное движение частиц)
Классическая и вырожденная плазма. Определения: Плотность: Температура: Классическая и вырожденная плазма. «Квантовый» масштабдлина волны Де-Бройля «Плазменный» масштабрасстояние между частицами Классическая плазма:
Классическая и вырожденная плазма. Литература
Идеальная и неидеальная плазма. Идеальная Литература неидеальная плазма. Плазменные электроны - например Ферми-газ
0. 01 1 106 на 104 100 клас сиче выр с ожд енна кая я Те, э. В идеальная еаль я ная неид ль я на ль 1 ид еа не еа ид T – n диаграмма 1010 1016 1020 1026 n, см-3
T-n диаграмма клас сиче выр с ожд енна кая я Те, э. В - 104 100 высокотемпературная 1 106 на идеальная 0. 01 неид ль ид еа не ид еа ль на 1 еаль я ная я низкотемпературная 1010 1016 1020 1026 n, см-3
0. 01 1 106 на 104 100 клас сиче выр с ожд енна кая я Те, э. В идеальная еаль я ная неид ль я на ль 1 ид еа не еа ид T – n диаграмма T, 1010 1016 1020 1026 n, см-3
T, n параметры различных плазм Литература
Критерии плазменного состояния: 1. Наличие свободных заряженных частиц. =ne/no>0 2. Квазинейтральность. ne ni 3. Характерный размер плазменного объема больше характерного размера на котором возможно разделение зарядов. Lpl >l q Плазма-квазинейтральна На каком масштабе сохраняется квазинейнтральность плазмы? Е=0
Дебаевская экранировка На каком масштабе сохраняется квазинейтральность плазмы? l Дебаевский радиус Литература Е
Плазменные колебания Дебаевский радиус есть пространственный масштаб , на котором возможно спонтанное разделение зарядов Временной масштаб: l За это время прилетят электроны и сравняют флуктуацию плотности зарядов сила Литература Е
Плазменные колебания Макроскопическое отклонение от квазинейтральности ведет к появлению электрического поля. Для плоского слоя плазмы: -смещение электронов Ленгмюровские колебания Плазменная частота Литература
Дебаевская экранировка Уравнение Пуассона Литература
Дебаевская экранировка Дебаевский (красная линия) и кулоновский (зеленая линия) потенциал. 3 2 1 0 1 2 3
Следствие дебаевской экранировки Электростатическое поле проникает в плазму не глубже r. D Электрическое поле отдельной частицы в плазме «экранируется» частицами противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка r. D от частицы. Величина r. D определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в плазму (экранировка этого поля также вызывается появлением в плазме компенсирующих полей пространственных зарядов). Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности плазмы, где более быстрые электроны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину ~ r. D.
Дебаевская экранировка Электроны, вылетая по инерции из плазмы, нарушают квазинейтральность на длине порядка дебаевского радиуса экранирования r. D и повышают потенциал плазмы (ni, и ne — соответственно, плотности ионов и электронов). Литература
Дебаевская экранировка Число частиц в дебаевской сфере:
Параметр неидеальности Литература
Параметр неидеальности
Литература 1. Франк –Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы М. Атомиздат 1964 г 2. Смирнов Б. М. Введение в физику плазмы М. Наука, 1975 3. Смирнов Б. М. Физика слабоионизированного газа. М. Наука, 1978 г. 4. Мак А. А. , Соловьев Н. А. Введение в физику высокотемпературной лазерной плазмы. Ленинград. 1991 г. 5. Лохте-Хольгревен. Методы исследования плазмы. Издательство “ МИР”. 1971 г. 6. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. Госатомиздат 1961 г. 7. Радциг А. А. , Смирнов Б. М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М. Атомиздат 1978 г.
Литература 1. Франк –Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы М. Атомиздат 1964 г 2. Смирнов Б. М. Введение в физику плазмы М. Наука, 1975 3. Смирнов Б. М. Физика слабоионизированного газа. М. Наука, 1978 г. 4. Мак А. А. , Соловьев Н. А. Введение в физику высокотемпературной лазерной плазмы. Ленинград. 1991 г. 5. Лохте-Хольгревен. Методы исследования плазмы. Издательство “ МИР”. 1971 г. 6. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. Госатомиздат 1961 г. 7. Радциг А. А. , Смирнов Б. М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М. Атомиздат 1978 г.