Методика формирования понятия Плазма в школьном курсе физики
но существенны), то плазму можно рассматривать как
совокупность отдельных частиц, движение которых определяется внешними
полями. В такой плазме обычно не проявляются специфически плазменные
коллективные процессы. С другой стороны, если плазма настолько плотная, что
частота парных столкновений достаточно велика, или если процессы протекают
с характерным временем, значительно превышающим время свободного пробега
электрона или иона, то и здесь нет специфически плазменных процессов. В
таких случаях плазму можно считать сплошной средой и применять для ее
описания магнитогидродинамические уравнения или соотношения.
? Расскажите о понятии коллективные свойства на примере
взаимодействия молекул в воздухе и заряженных частиц в плазме.
? При каких условиях плазму можно считать сплошной средой?
Задача для самостоятельного решения
3.1. Сравните силы гравитационного и электростатического взаимодействия
между электроном и протоном. Масса электрона [pic] кг, масса протона
[pic]кг, заряд электрона отрицателен и равен по модулю [pic]Кл, заряд
протона положителен и равен по модулю заряду электрона.
§ 4. КВАЗИНЕЙТРАЛЬНОСТЬ ПЛАЗМЫ
Плазма - это материальная среда, образованная коллективом частиц, которые
взаимодействуют друг с другом. Свободные заряженные частицы, особенно
электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в
состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы
отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг
друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Именно отсюда
вытекает необходимость практически точного равенства концентраций
электронов и ионов в плазме - ее квазинейтральность. Нарушение
квазинейтральности плазмы связано с разделением зарядов, обусловленным
смещением группы электронов относительно ионов. Это должно приводить к
возникновению электрических полей, которые стремятся скомпенсировать
созданное возмущение и тут же восстановить квазинейтральность. Поля растут
с увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы могут достигать
больших значений.
Для оценки напряженности поля, возникающего при нарушении нейтральности
плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло полное разделение
зарядов
и внутри этого объема остались только заряды одного знака. Электрическое
поле в рассматриваемой области определяется соотношением:
[pic] ,
(4.1)
где Х - линейные размеры области смещения. Потенциал плазмы в области
разделения зарядов в связи с этим изменится на
[pic],
(4.2)
Рассмотрим пример. Пусть полностью ионизованная плазма получена из
водорода, находящегося при температуре Т = 300 К и давлении 1 мм рт. ст. В
каждом кубическом сантиметре такой плазмы будет по [pic] ионов и
электронов. Поэтому, если резкое нарушение квазинейтральности произойдет в
объеме с характерным размером х, порядка 1 мм, то электрическое поле
превзойдет 1012 В / м, и в пределах этого объема возникнет разность
потенциалов порядка 109 В. Ясно, что подобное разделение зарядов совершенно
нереально. Даже в гораздо более разреженной плазме резкое нарушение
квазинейтральности в указанных объемах будет немедленно ликвидироваться
возникающими электрическими нолями. Поле будет выталкивать из объема, где
произошла декомпенсация зарядов, частицы одного знака и втягивать в эту
область частицы противоположного знака. Однако, если выделить в плазме
достаточно малый объем, квазинейтральность в нем может и не сохраниться,
т.к. поле, созданное избытком частиц одного знака, окажется слишком слабым
для того, чтобы существенно повлиять на движение частиц.
Итак, квазинейтральность - это приблизительное равенство объемных
плотностей положительных и отрицательных зарядов.
? Что такое квазинейтральность?
? Опишите процессы, происходящие в плазме при нарушении ее нейтральности.
? Чем квазинейтральность отличается от истинной нейтральности?
Задачи для самостоятельного решения
4.1. Получите формулу для напряженности и потенциала электрического поля в
рассмотренном в параграфе примере.
4.2. Найдите напряженность электрического поля и возникающую разность
потенциалов при нарушении квазинейтральности плазмы солнечной короны в
объеме с характерным размером 1 м. используя данные, приведенные в
«Приложении»
§ 5. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАЗМЫ
Введение величины Т как температуры плазмы оправдано только тогда, когда
средняя кинетическая энергия электронов и ионов одинакова. В общем случае в
плазме следует различать по меньшей мере две температуры - электронную Тe и
ионную Ti. По аналогии с температурой газа, которая вводится по формуле
[pic], можно ввести эти температуры из равенств:
[pic] , [pic]
В плазме, которая создается в лабораторных условиях или в приборах, Te
обычно значительно превосходит Тi. Например, оказывается, что [pic]К при
[pic] К. Различие между Te и Тi, обусловлено громадной разницей в массах
электрона и иона. Внешние источники электрического питания, с помощью
которых создается плазма (при различных формах разряда в газах),
передают энергию электронной компоненте плазмы, т.к. именно электроны
являются носителями тока. Ионы приобретают тепловую энергию в основном в
результате столкновений с быстро движущимися электронами. При таких
столкновениях относительная доля кинетической энергии электрона, которая
может быть передана иону, не должна превышать [pic]. Средняя доля энергии,
передаваемой при столкновении, еще меньше. Поскольку me<< 105 К) и высокотемпературную плазму
(Ti > 107 К).
? Когда оправдано введение термина температура плазмы?
? Почему оказывается различной ионная и электронная температура?
? Какую плазму называют изотермической?
? В чем заключается особенность неизотермической плазмы?
? Как подразделяют плазму в зависимости от значения ионной
температуры?
? Приведите примеры низкотемпературной и высокотемпературной
плазмы.
Задача для самостоятельного решения
5.1. Вычислите дебаевский радиус экранирования для плазмы гелий-неонового
лазера.
§ 6. ВМОРОЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Вмороженность магнитного поля - один из эффектов, характерных для жидких
и газообразных сред, обладающих высокой (в идеальном случае - бесконечной)
проводимостью СУ и движущихся поперек магнитного поля (например, для жидких
металлов и плазмы). В этих условиях силовые линии магнитного поля и частицы
среды жестко связаны друг с другом. Можно сказать, что магнитные силовые
линии как бы вморожены в среду, перемещаясь вместе с ней.
Вмороженность магнитного поля основана на том, что в идеально проводящей
среде индуцируемое ее движением электрическое поле должно быть равно нулю,
иначе в соответствии с законом Ома в среде возник бы бесконечный ток, что
невозможно. Поэтому в силу закона электромагнитной индукции Фарадея
бесконечно проходящая среда не должна пересекать силовые линии магнитного
поля. Иначе говоря, магнитный поток Ф = B?S через поверхность ?S,
опирающуюся на произвольный контур, движущийся вместе со средой, остается
постоянным. Сохранение магнитного потока приводит к тому, что движущиеся
поперек магнитного поля частицы среды «тянут» за собой силовые линии
магнитного поля, которые, таким образом, «вмораживаются» в среду в процессе
ее движения. Вмороженность магнитного поля характерна для сред с высоким
магнитным числом Рейнолдса:
[pic], где L и [pic]- характерные масштаб и скорость течения среды
соответственно, [pic] - магнитная вязкость. Если R >> 1, т.е.
[pic] то магнитное поле вморожено в среду (например, в плазму). Эти
условия обычно выполняются в плазме солнечного ветра (большие L), в
высокотемпературной плазме (большая[pic])
Вмороженность магнитного поля во многих случаях позволяет, не прибегая к
громоздким расчетам, с помощью простых представлений получить качественную
картину течения среды и деформации магнитного поля.
? Объясните процесс «вмораживания» магнитного
поля в плазму.
? При каком условии возможна вмороженность магнитного поля в
плазму?
Задача для самостоятельного решения
6.1. Вычислите магнитное число Рейнолдса для солнечного ветра,
ионосферного слоя Fi, молнии.
§ 7. МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА И НЕУСТОЙЧИВОСТЬ
ПЛАЗМЫ
Основными методами теоретического описания плазмы являются: исследование
процесса движения отдельных частиц плазмы, магнитогидродинамическое
описание плазмы, кинетическое рассмотрение частиц и волн в плазме.
В разреженной плазме кулоновское взаимодействие между частицами
оказывается значительно меньшим, чем влияние на них внешних электрических и
магнитных полей (пример: плазма в космических условиях). В такой плазме
обычно не проявляются специфически плазменные коллективные процессы, и ее
можно рассматривать как совокупность отдельных частиц, движение которых
определяется внешними полями.
Если концентрация частиц такова, что длины их свободных пробегов малы по
сравнению с характерными размерами системы или процессы протекают с
характерным временем, значительно превышающим время свободного пробега
электрона или иона, то такую плазму можно описывать как сплошную среду с
помощью методов обычной гидродинамики. Однако плотная плазма является
«проводящей жидкостью», и ее движение, например, во внешнем магнитном поле
существенно отличается от движения обычной жидкости. В самом деле:
1) если плазма движется в постоянном магнитном поле, то на ее заряженные
частицы действует сила Лоренца;
2) переменное внешнее маг
| |  скачать работу |
Методика формирования понятия Плазма в школьном курсе физики |
