Tarkib
1. Plazma.
2. Asosiy tushunchalar.
3. Plazmaning asosiy xossalari.
Adabiyotlar ro'yxati
1. Plazma
Plazma zaryadlangan zarrachalardan iborat kvazineytral gazdir . Eng keng tarqalgan holatda plazma elektronlar va musbat zaryadlangan ionlardan iborat. Plazmada neytral atomlar ham bo'lishi mumkin: agar ularning nisbati sezilarli bo'lsa, plazma qisman (yoki to'liq emas) ionlangan deb ataladi. Agar neytral atomlarning ulushi ahamiyatsiz bo'lsa, biz butunlay ionlangan plazma bilan ishlaymiz.
Plazma holatida koinot materiyasining katta qismi - yulduzlar, yulduzlar qobig'i, galaktik tumanliklar va yulduzlararo muhit mavjud. Yer yaqinida plazma kosmosda quyosh shamoli shaklida mavjud bo'lib, Yer magnitosferasini (Yerning radiatsiya maydonlarini hosil qiladi) va ionosferani to'ldiradi. Erga yaqin plazmadagi jarayonlar magnit bo'ronlari va auroralar uchun javobgardir. Radioto'lqinlarning ionosfera plazmasidan aks etishi Yerda uzoq masofali radioaloqa imkoniyatini beradi. Kundalik hayotda u bilan to'qnashuvlar bir nechta misollar bilan cheklanadi: chaqmoq chaqnashi, shimoliy chiroqlarning yumshoq porlashi, lyuminestsent naycha ichidagi o'tkazuvchan gaz yoki neon reklama.
Laboratoriya sharoitida va sanoat qo'llanmalarida plazma gazlardagi elektr razryadda (yoyli razryad, uchqun razryadi, porlash razryadi va boshqalar), yonish va portlash jarayonlarida hosil bo'ladi, plazma tezlatgichlarida, magnit gidrodinamik generatorlarda , o'rganish uchun qurilmalarda ishlatiladi. boshqariladigan termoyadro termoyadroviy sintezi. Plazmaga xos bo'lgan ko'plab xususiyatlarga yarim o'tkazgichlardagi elektronlar va teshiklar agregatlari va metallardagi o'tkazuvchan elektronlar (harakatsiz musbat ionlar bilan neytrallangan) ega, shuning uchun ular qattiq moddalar plazmasi deb ataladi. Uning o'ziga xosligi shundaki, "gaz" plazmasi uchun ultra past haroratlarda - xona haroratida va undan pastda, mutlaq nol haroratgacha mavjud bo'lish imkoniyati.
Plazma zichligi n ning mumkin bo'lgan qiymatlari keng doirani qamrab oladi : galaktikalararo kosmosda n ~ 106 sm-3 va quyosh shamolida n ~ 10 sm-3 dan qattiq jismlar uchun n ~ 1022 sm-3 gacha va undan yuqori qiymatlar. yulduzlarning markaziy hududlarida.
Plazma " atamasi fizikaga 1923 yilda amerikalik olimlar Langmur va Tonks tomonidan kiritilgan bo'lib , ular past haroratli gaz tashuvchi plazma parametrlarini prob o'lchashni amalga oshirdilar. Plazma kinetikasi L.D.ning ishlarida ko'rib chiqilgan. Landau (1936 va 1946) va A.A. Vlasov (1938). 1942 yilda Alfven kosmik plazmadagi bir qator hodisalarni tushuntirish uchun magnit gidrodinamika tenglamalarini taklif qildi . Zamonaviy plazma fizikasining kelib chiqishi 1950-yillarning boshlarida, vodorod bombasi portlashi paytida sodir bo'ladigan termoyadroviy reaktsiyalarni boshqarishga asoslangan termoyadro reaktorini yaratish g'oyasi ilgari surilgan paytdan boshlanadi. Aslida 1952 va 1953 yildan keyin. AQSh va SSSRda birinchi vodorod bombalarining sinov portlashlari o'tkazildi va termoyadroviy reaktsiyalar energiyasidan tinch maqsadlarda foydalanish bo'yicha ishlar boshlandi, buning uchun termoyadroviy reaktsiyaga kiradigan kimyoviy elementlarga ega bo'lgan moddani isitish kerak. bir necha yuz million daraja haroratgacha - shuning uchun bu reaktsiyalar ko'pincha termoyadro deb ataladi. Bunday yuqori haroratda har qanday modda muqarrar ravishda plazmaga aylanadi. Bunday plazmani isitish va cheklash vazifasi plazma fizikasi sohasidagi ilmiy tadqiqotlarning tez o'sishiga sabab bo'ldi.
2. Asosiy tushunchalar
Asosiy tushunchalar. Kuchli isitish bilan har qanday modda bug'lanadi, gazga aylanadi. Agar siz haroratni yanada oshirsangiz, gaz molekulalari o'zlarining tarkibiy atomlariga parchalana boshlaydi ( ajraladi ), keyin esa ionlarga aylanadi. Gazning ionlanishi, qo'shimcha ravishda, uning elektromagnit nurlanish bilan o'zaro ta'siri ( fotoionizatsiya ) yoki gazni zaryadlangan zarralar tomonidan bombardimon qilish natijasida yuzaga kelishi mumkin.
Erkin zaryadlangan zarralar, ayniqsa elektronlar, elektr maydoni ta'sirida osongina harakatlanadi. Shuning uchun muvozanat holatida plazma tarkibiga kiruvchi manfiy elektronlar va musbat ionlarning fazoviy zaryadlari bir-birini kompensatsiya qilishi kerak, shunda plazma ichidagi umumiy maydon nolga teng bo'ladi. Aynan shundan kelib chiqadiki, plazmadagi elektronlar va ionlar zichligining amalda aniq tengligi - uning kvazi -neytralligi . Plazma egallagan hajmda kvazi -neytrallikning buzilishi darhol kvazi -neytrallikni tiklaydigan kosmik zaryadlarning kuchli elektr maydonlarining paydo bo'lishiga olib keladi . Plazmaning ionlanish darajasi - ionlangan atomlar sonining plazma hajmining birligiga to'g'ri keladigan umumiy soniga nisbati. Termodinamik muvozanat sharoitida u Saha formulasi bilan aniqlanadi
Bu erda N l = nl³ e - elektronlar uchun termal de Broyl to'lqin uzunligiga teng chekkaga ega bo'lgan kubdagi barcha turdagi zarralar soni l e - ћ \/2p/ m e kT ; I - ionlanish energiyasi.
Ko'paytiriladigan zaryadlangan ionlar uchun atomlarning ionlashuvining ko'pligini hisobga olish kerak. a ning qiymatiga qarab, zaif, kuchli va to'liq ionlangan plazma haqida gapiriladi.
Plazmani tashkil etuvchi har xil turdagi zarrachalarning o'rtacha energiyalari bir-biridan farq qilishi mumkin. Bunday holda, plazma T haroratning yagona qiymati bilan tavsiflanishi mumkin emas va elektron harorati Te , ion harorati o'rtasida farqlanadi. harorat T i , (yoki plazmada bir necha turdagi ionlar mavjud bo'lsa, ion harorati) va neytral atomlarning harorati Ta. Bunday plazma izotermik bo'lmagan , barcha komponentlarining harorati bir xil bo'lgan plazma esa izotermik deyiladi.
past harorat va yuqori harorat tushunchalariga biroz g'ayrioddiy ma'no (fizikaning boshqa sohalari bilan solishtirganda) qo'yiladi . Past haroratli plazma T bilan hisoblanadi ≤ 105 K va yuqori haroratli - T ≥ 106 ÷ 105 K va undan yuqori bo'lgan plazma. Ushbu bo'linish haqiqatni aks ettiradi yuqori haroratli vodorod plazmasi to'liq ionlashtirilgan , past haroratli plazmada esa odatda neytral zarralar mavjudligini hisobga olish muhimdir. Ushbu shartli bo'linish boshqariladigan termoyadroviy sintezni (CTF) amalga oshirish muammosi bilan bog'liq holda yuqori haroratli plazmaning alohida ahamiyati bilan bog'liq.
3. Plazmaning asosiy xossalari
Plazmaning asosiy xossalari. Plazma xossalari va neytral gazlarning xossalari o'rtasidagi keskin farqda ikkita omil hal qiluvchi rol o'ynaydi. Birinchidan, plazma zarralarining bir-biri bilan o'zaro ta'siri Kulon tortishish va itarilish kuchlari bilan tavsiflanadi, ular masofa bilan neytral zarrachalarning o'zaro ta'sir kuchlariga qaraganda ancha sekinroq (ya'ni, ancha uzoqroq) kamayadi . Shu sababli, plazmadagi zarrachalarning o'zaro ta'siri, aniq aytganda, juftlashgan emas, balki kollektiv - ko'p sonli zarralar bir vaqtning o'zida bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi. Ikkinchidan, elektr va magnit maydonlar plazmaga kuchli ta'sir ko'rsatadi, plazmada kosmik zaryadlar va oqimlarning paydo bo'lishiga olib keladi va plazmaning bir qator o'ziga xos xususiyatlarini keltirib chiqaradi. Bu farqlar plazmani materiyaning maxsus, "to'rtinchi" holati deb hisoblash imkonini beradi.
kvazi -neytrallik plazmaning eng muhim xususiyatlariga tegishli . Plazma egallagan hududning chiziqli o'lchamlari l Debay skrining radiusidan ancha katta bo'lsa kuzatiladi:
bu yerda e e va e i elektron va ionlarning zaryadlari, n e va n i elektron va ion zichligi; bu yerda va pastda Gauss mutlaq birlik tizimi (CGS birliklari tizimi) qo'llaniladi; raqamli qiymatlar berilganda, SIdagi qiymatlar qavs ichida beriladi. Binobarin, l >>D sharti bajarilgandagina plazma haqida gapirish mumkin. Plazmadagi alohida zarrachaning elektr maydoni qarama-qarshi belgili zarralar bilan himoyalangan va zarrachadan D tartibli masofalarda haqiqatda yo'qoladi.D ning qiymati tashqi elektrostatik maydonning plazmaga kirish chuqurligini ham belgilaydi. Plazma yuzasi yaqinida kvazi-neytrallik buzilishi mumkin, bu erda issiqlik harakati tufayli tezroq elektronlar inertsiya bilan ~ D masofasiga uchib ketadi (1-rasm).
Guruch. 1. Debay skrining radiusi D tartibining uzunligi bo'yicha plazma kvazi -neytralligining buzilishi.
Zarrachalarning o'zaro ta'sirining potentsial energiyasi ularning issiqlik energiyasiga nisbatan kichik bo'lsa, plazma ideal deb ataladi. Bu shart radiusi D bo'lgan sferadagi zarrachalar soni bajarilganda bajariladi ajoyib:
Masalan, chaqmoqlarda T ~ 2∙104 K, n ~ 2,5∙1019 (havo zichligi) va shuning uchun D. ~ 10-7 sm, lekin Nd ~ 1/40. Bunday plazma zaif noideal deb ataladi .
Xaotik issiqlik harakati bilan bir qatorda, plazma zarralari tartiblangan kollektiv jarayonlarda ishtirok etishi mumkin , ulardan eng xarakterlisi Langmur to'lqinlari deb ataladigan kosmik zaryadning uzunlamasına tebranishlaridir. Ularning burchak chastotasi plazma chastotasi deb ataladi (e va m - elektronning zaryadi va massasi). Plazmani neytral gazdan ajratib turadigan kollektiv jarayonlarning ko'pligi va xilma-xilligi plazma zarralarining kulon o'zaro ta'sirining diapazoni bilan bog'liq, buning natijasida plazma turli xil shovqinlar, tebranishlar va to'lqinlar osongina qo'zg'atiladigan va tarqaladigan elastik muhit sifatida qaralishi mumkin. .
B bo'lgan magnit maydonda Lorentz kuchi plazma zarrachalariga ta'sir qiladi ; buning natijasida plazmaning zaryadlangan zarralari siklotron chastotalari ōB - eV / c bilan r B radiusli Larmor spirallari bo'ylab aylanadi. = v / ō B , bu erda v - B ga perpendikulyar bo'lgan zarracha tezligi komponenti . Bunday o'zaro ta'sirda plazmaning diamagnetizmi namoyon bo'ladi: elektronlar tomonidan yaratilgan va ionlar dumaloq oqimlari tashqi magnit maydonni kamaytiradi, elektronlar esa soat yo'nalishi bo'yicha aylanadi, ionlar esa - unga qarshi (2-rasm).
Fig.2 Larmor spirallarida ionlar va elektronlarning aylanishi .
Bunday dumaloq oqimlarning magnit momentlari m = mv 2 /2 B ga teng bo'lib, bir jinsli bo'lmagan maydonda ular plazma zarrasini kuchli maydon hududidan kuchsizroq maydon hududiga itarib yuborishga moyil bo'lgan diamagnit kuch ta'sirida bo'ladi. bir hil bo'lmagan sohalarda plazma beqarorligining eng muhim sababidir.
Guruch. 3. Ion yonidan uchib o'tayotgan elektron giperbola bo'ylab harakat qiladi: B - burilish burchagi
Plazmadagi zarrachalarning o'zaro to'qnashuvi to'qnashuv sodir bo'lishi uchun "urilishi" kerak bo'lgan "maqsadli maydon" ni tavsiflovchi samarali kesmalar bilan tavsiflanadi. Masalan, ta'sir parametri r (3-rasm) masofada joylashgan ion yonidan uchib o'tayotgan elektron Kulonning tortishish kuchi bilan potentsial energiyaning kinetik energiyaga nisbatiga taxminan teng th burchak ostida buriladi, shuning uchun th = 2r bo'ladi. /r, bu erda r = e2/ mv 2 ≈ e2 / kT (bu erda r - burilish burchagi th = 90º bo'lgan maqsad masofasi). Katta burchaklar th ~ 1 rad barcha elektronlarni s ≈4pr 2 maydoniga ega bo'lgan aylanaga sochadi, bu yaqin to'qnashuvlar kesimi deb atash mumkin . Biroq, r >>r bilan uzoq parvozlarni hisobga olsak . , samarali kesmaga = In koeffitsienti ortadi ( D / p ), Kulon logarifmi deb ataladi . To'liq ionlangan plazmada,
~ 10÷15 va yaqin to'qnashuvlarning kesmaga qo'shgan hissasini e'tiborsiz qoldirish mumkin (plazmadagi uzoq masofali o'zaro ta'sir haqida yuqorida aytilganlarga qarang). Uzoq masofalarda zarrachalar tezligi kam o'zgaradi, bu ularning harakatini o'ziga xos tezlik fazosida diffuziya jarayoni sifatida ko'rib chiqishga imkon beradi .
To'qnashuv jarayonlarining qulay xarakteristikalari zarrachaning o'rtacha erkin yo'li l = 1/ ns , uning to'qnashuvlari soni v = nvus. vaqt birligi uchun, shuningdek, to'qnashuvlar orasidagi vaqt t = 1/ n , ammo oddiy gazlardan farqli o'laroq, plazmadagi bu miqdorlar turli jarayonlar uchun har xil bo'lib chiqadi. Masalan, elektronlarning Maksvell taqsimoti t e vaqtida o'rnatiladi va shunga o'xshash Maksvellizatsiya jarayoni ionlar uzoqroq vaqt davomida oqadi t ii = t uning / m i / m e va nihoyat elektron Te va ion Te ning hizalanishi haroratlar, ya'ni. plazmaning umumiy maksvellizatsiyasi yanada sekinroq davom etadi - t e i , - t uning m i / me vaqtida . Agar oxirgi jarayon hali tugamagan bo'lsa, u holda Te ≠ T i .
Agar plazmada har qanday kuchli tebranishlar va beqarorliklar qo'zg'atmasa, unda zarrachalarning to'qnashuvi uning dissipativ deb ataladigan xususiyatlarini - elektr o'tkazuvchanligini, yopishqoqligini, issiqlik o'tkazuvchanligini va diffuziyasini aniqlaydi. To'liq ionlangan plazmada elektr o'tkazuvchanligi s plazma zichligiga bog'liq emas va T³2 ga mutanosibdir Te ~ 15 ∙ 106 K da u kumushning elektr o'tkazuvchanligidan oshib ketadi, shuning uchun ko'pincha, ayniqsa tez keng ko'lamli harakatlar paytida, plazma taxminan ideal o'tkazgich sifatida ko'rib chiqilishi mumkin, s = ∞ o'rnatish . Agar bunday plazma magnit maydonda harakat qilsa, plazma bilan birga harakatlanadigan har qanday yopiq kontaktlarning zanglashiga olib o'tishda EMF nolga teng bo'ladi, bu Faraday qonuniga ko'ra elektromagnit induksiya uchun doimiy magnit oqimning kontaktlarning zanglashiga olib kirishiga olib keladi (4-rasm). ).
Guruch. 4. Magnit maydon chiziqlari B ning plazma bilan birgalikda harakati (" muzlatilgan " maydon chiziqlarining xususiyati)
plazma elektromagnit induksiya zarrasi
bu " yopishqoqligi " yoki muzlashi ham plazmaning eng muhim xususiyatlaridan biridir. U, xususan, muhitning xaotik turbulent harakati paytida magnit maydon chiziqlari uzunligining oshishi hisobiga magnit maydonning o'z-o'zidan qo'zg'alishi (generatsiyasi) imkoniyatini aniqlaydi. Misol uchun, kosmik tumanliklarda ko'pincha tolali struktura ko'rinadi, bu o'z-o'zidan qo'zg'aluvchi dinamo mexanizmi tomonidan yaratilgan magnit maydon mavjudligini ko'rsatadi .
|
