Харакстеристики плазмы. Характеристика плазмы – взаимосвязь параметров – свойство характеризующее плазму (вах, изменение Nчастиц в объеме плазмы и т.Д.) Отличие плазмы от ионизованного газа.

Взаимодействие - воздействие частиц друг на друга, приводящее к изменению их внутреннего состояния (строение, энергия) и их движения. Мера взаимодействия – потенциальная и кинетическая энергия.

Виды взаимодействия: гравитационное, слабое (между частицами), электромагнитное, сильное (между ядерное).

Взаимодействие - потенциальное и кинетическое.

Близкодействие: кинетическое, слабое.

Дальнодействие: гравитационное, электромагнитное, сильное.

Потенциальное – дальнодействующее электромагнитное (кулоновское) притяжение и отталкивание зарядов. Мера - E_п=q²/r=q²/N^1/3

Кинетическое - близкодействующее, между движущимися частицами.

Мера ; ; ; ;

Здесь q - заряд частицы (кратной заряду электрона),

r - среднее расстояние между частицами, V – скорости движения частицы

N_e,i - концентрация частиц в объёме плазмы, А – атомный вес вещества

k - постоянная Больцмана, m_e,I,a – масса частицы,

T_e,i,a - температура плазмы (частиц плазмы).

Факторы отличия плазмы от ионизованного газа.

1. Кулоновское взаимодействие заряженных частиц более существенное и дальнодействующее, чем кинетическое. По этой причине взаимодействие частиц в плазме является не «парным» (одна частица взаимодействует с другой частицей), а «коллективным» - одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц.

2. Из-за различия в скорости движения и массе электронов и тяжелых частиц (ионов, атомов) распределение их в плазме неоднородно, следствием чего является появление объемных токов.

3. Коллективное кулоновское взаимодействие и неоднородное распределение частиц приводит к разделению зарядов, следствием чего является появление объемных зарядов. При этом важнейшим (определяющим) условием является равенство нулю полного заряда плазмы.

Пространственный масштаб разделения зарядов означает, что существует размер плазмы X=D, в котором происходит разделение зарядов. Он определяется из равенства сил кулоновского и кинетического взаимодействия:

При полном разделении зарядов

Тогда

Т.к , то ,

где k - постоянная Больцмана; Т, е, N - температура, заряд и концентрация частиц.

Временной масштаб означает время t=t_D , за которое частица, движущаяся со средней тепловой скоростью V, пройдет расстояние D: .

Нарушение пространственно-временного масштаба ( X ≠ D, t_плазмы<t_D ) означает, что не произойдет коллективного взаимодействия, возникает неустойчивость плазмы (ток, колебания) и она перейдет в состояние обычного газа.

Квазинейтральность плазмы

Изменение E_п частицы при проникновении её в плазму описывается уравнением Пуассона:

(1)

где φ ‑ потенциал поля заряженной частицы, N_i – концентрация ионов, N_e ‑ концентрация электронов.

Согласно формуле Больцмана концентрации электронов и ионов:

(2)

где N₀ ‑ средняя плотность заряженных частиц в квазинейтральной плазме (где N_i=N_e), k ‑ постоянная Больцмана, Т ‑ температура плазмы.

Подставляя выражения (2) в уравнение Пуансона (1), получим:

(3)

Считая, приведем (3) к виду: ,

где (4)

Величина r_D называется радиусом Дебая – Гюккеля для равновесной плазмы

Радиус Дебая‑Гюккеля определяет расстояние, на котором происходит уменьшение потенциала (рис.2), проникающего в плазму заряда, или поля Е_П этого заряда , где х ‑ координата заряда по оси, перпендикулярной границе плазмы.

В неравновесной плазме выражение для радиуса Дебая – Гюккеля будет иметь вид:

(5)

Если в плазме имеются многозарядные ионы, то

Таким образом, радиус Дебая ‑ Гюккеля характеризует размер объема плазмы, в котором выполняется условие квазинейтральности и экранируется внешнее воздействие.

Рис. 2 Распределение потенциала в плазме.

Рис. 3. Распределение концентрации частиц в плазме.

. Отношение концентраций частиц в центре сферы (N_r) и в пристеночном слое (N_l): , где L – толщена слоя, μ – подвижность частицы, m – масса частицы, T – температура частицы.

Квазинейтральность – «почти нейтральность» - общая временная и пространственная характеристика плазмы, равенство число положительных и отрицательных частиц. Если по любой причине равенство нарушается (к примеру, электрон или ион «исчезают» при контакте с окружающей средой) это приводит к возникновению электрического поля и потоков частиц плазмы восстанавливающих равенство

Окружающая среда

Кл

Рис. 4. Взаимодействие электрона плазмы и иона окружающей среды

q = eΔN_e - плотность объёмного заряда.

ΔN_e - изменение числа электронов.

E_П = 1,8 10^-6 ΔN_e x

Пример: воздуха при

При полной ионизации .

На расстоянии , ΔN_e = 1%=5 10¹⁷см^-3

Тогда

Выводы

Условие квазинейтральности выполняеться с очень большой точностью (при ΔN = 1 10 -9 %) Возникающее электрическое поле приведёт к появлению электрического тока (потока электронов), который восстановит равновесие зарядов (при слабом поле) или разрушит плазму (при сильном поле)