Плазма

Лекция № 1.
Плазма – коллективное состояние заряженных частиц ионизованного газа.
Пространственные и временные масштабы разделения зарядов в плазме. Идеальная и
неидеальная, вырожденная плазма. Холодная (газоразрядная), горячая и
релятивистская плазма.
I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ
В литературе можно встретить различные
определения плазмы. Например,
«Плазма – основное состояние материи
Вселенной».
«Плазма – четвертое состояние вещества».
«Плазма – ионизованный газ, обладающий
свойством квазинейтральности»
Плазма
спиралевидные
галлактик
Плазма Солнца
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ,
содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая
плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах,
хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках
Строение звезд
Можно определить время жизни звезды на главной последовательности как
время горения водорода в ядре. Внутреннее строение звезды меняется за время
жизни на ГП.
Для Солнца время жизни на ГП составит 1010лет.
Современный возраст Солнца оценивается как 4.5 109 лет.
Схема внутреннего строения Солнца на начальной ГП и в конце жизни,
когда уже почти полностью выгорел водород:
Конвективная оболочка
Зона лучистого переноса
Энерговыделяющее ядро
Гелиевое ядро
Однородный водородный состав
Плазма газовых разрядов в Природе
Плазма шаровой молнии
Шаровая молния светящийся сфероид,
обладающий большой
удельной энергией,
образующийся
нередко вслед за
ударом линейной
молнии. Длительность
существования
шаровой молнии от
секунд до минут, а
исчезновение может
сопровождаться
взрывом. Природа
шаровой молнии ещё
не выяснена.
Дебаевский радиус.
• Расходящиеся на расстояние x заряды
создают электрическое поле, которое
можно определить из одномерного
уравнения Пауссона: , так что Е=4nex,
где n - концентрация плазмы
(концентрация электронов и ионов ).
Схема разделения зарядов
• Максимальное расстояние, на которое
могут разойтись заряды, и было названо
дебаевским радиусом по имени немецкого
физика Дебая, который впервые его ввел,
исследуя явление электролиза.
Радиус Дебая:
kT
T [K ]
T [ эВ]
rd [см] 
7
 500
2
3
4 ne
n[см ]
n[см 3 ]
Плазменная частота
Полагая, что ионы покоятся, рассмотрим движение электрона в
электрическом поле Е. Уравнение движения электрона
me 
x  eE  4ne2 x ,
где
me
- масса электрона,
совпадает с уравнением движения для одномерного осциллятора,
то есть электрон будет совершать колебания с частотой, которая
получила название плазменной или электронной ленгмюровской
частоты:
1
4 ne2
p[ ] 
 5.6 n[см 3 ],
c
me
Критерий квазинейтральности плазмы
• пространственный критерий квазинейтральности
плазмы имеет вид:
rd
lхар
• временной критерий квазинейтральности плазмы
имеет вид:
1
p
t хар
• радиус Дебая может быть связан с плазменной
частотой соотношением:
rd  VТe 
1
p
• так что временной критерий вытекает из
пространственного.
Классификация видов плазмы.
• Плазма называется идеальной, если kT
e2 n1/ 3
• Если для характеристики плазмы ввести величину,
равную количеству частиц в дебаевской сфере (число
3/ 2
Дебая):
4
T
[K ]
Nd   nrd3  5 103 1/ 2 3
3
n [см ]
Nd 1
, то условие идеальности примет вид:
Прямая N d  1 отделяет область идеальной плазмы и
неидеальной.
• плазма становится квантовой вырожденной, при meVe
• Низкотемпературной (холодной или газообразной)
плазмой называют плазму, у которой средняя энергия
электронов меньше потенциала ионизации атомов газа
(T < 10 эВ).
1
n3/ 2
Таблица .
Межгал Ионосф
актичес
ера
кая
Земли
плазма
Плазма
газового
разряда
Термояде Солнце
рная
плазма
n [см-3]
102÷103
103÷106
1010÷1018
1012÷1020
1025
T [K]
102÷103
102÷104
103÷105
106÷108
107
rd [см]
10
1
10-4
10-6
10-10
Nd
104
105
500
105
500
Т, К
Релятивистская плазма
1010
Солнечный ветер
105
Солнечная
корона
Термоядерная
плазма
Nd = 1
Межпланет- Ионосфера Земли
ная
плазма
105
1010
Неидеальная плазма
Квантовая
вырожденная
n, см
плазма
-3
1015
1020
1025
n,
см-3