Определение плазмы и ее основные свойства

Плазмой называют ионизованный газ, содержащий свободные положительно и отрицательно заряженные частицы, в котором суммарный заряд в каждой единице объема стремится к нулю, то есть плазма представляет собой электрически нейтральную среду.

В общем случае плазма может состоять из положительно заряженных ионов, отрицательно заряженных частиц — электронов и отрицательных ионов — и нейтральных частиц. Отношение числа электронов nе (или ионов) в единице объема плазмы к полному числу частиц n в этом же объеме m = nе/n называют степенью ионизации плазмы. В предельном случае, когда число нейтральных частиц в плазме стремится к нулю, плазма называется полностью ионизованной, для которой m → 1. В технических устройствах, как правило, имеют дело с неполностью или частично ионизованной плазмой, для которой m << 1. Степень ионизации плазмы в зависимости от условий ее образования и существования может изменяться в широких пределах. Столб тлеющего разряда - это слабоионизованный газ со степенью ионизации порядка 10-8÷10-6. Положительный столб дугового разряда при атмосферном и более высоких давлениях имеет степень ионизации порядка 10-3÷10-1.

В соответствии с величиной концентрацией частиц может быть разреженная плазма, примером которой служит ионосфера Земли, в которой концентрация электронов составляет 105 1/см3, или плазма в столбе тлеющего разряда при низких давлениях газа, и плотная плазма, например, в канале лидера при разряде в длинных воздушных промежутках или в канале молнии, в котором концентрация электронов может достигать (1÷5)×1017 1/см3.

В зависимости от условий, в которых образована и находится плазма, различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму. В низкотемпературной плазме температура близка к температуре окружающей среды и составляет порядка 300 ÷ 400 К. В высокотемпературной плазме температура может достигать тысяч и сотен тысяч Кельвинов.

Основное свойство плазмы — стремление к электрической нейтральности — является следствием взаимодействия полей отдельных заряженных частиц. В плазме, являющейся смесью заряженных частиц разного знака, силы притяжения, действующие между разноименно заряженными частицами, уравновешиваются силами отталкивания одноименно заряженных частиц. Учитывая статистический характер распределения частиц в плазме, говорят не о полной электрической нейтральности, а о квазинейтральности плазмы. Квазинейтральность означает, что суммарный заряд каждой единицы объема плазмы q = n+ + n + ne → 0.

В нейтральном газе мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц является температура газа Т, определяемая из соотношения 1/2 mw2 = 3/2 kT, где m — масса частиц газа, w — средняя скорость их хаотического движения, k — постоянная Больцмана. Таким же образом характеризуют и среднюю энергию частиц плазмы.

В этом случае средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться температурой соответственно Te и Ти.

(mewe2) / 2 = 3/2 kTe
(mиwи2) / 2 = 3/2 kTи

В слабых электрических полях и в установившемся режиме средние энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны средней энергии нейтральных частиц, что соответствует Te = Tи = Тгаза. Такое состояние означает полное термодинамическое равновесие, и плазма называется равновесной.

В сильных электрических полях энергия, приобретаемая электронами от поля, оказывается существенно больше энергии ионов из-за сильного различия в скоростях частиц. Энергия электронов при ограниченном времени взаимодействия не успевает выровняться с энергией ионов. Поэтому в такой плазме Te >> Tи = Тгаза. Такое состояние характеризует неравновесную плазму.

Даже в неравновесной плазме, образующейся, например, в канале лидера, из-за отклонений в распределении плотности частиц могут образоваться области, в которых плазма близка равновесной. Такие области называют областями локального (местного) термодинамического равновесия.


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru