Вещество в состоянии плазмы
; означает «во много раз больше». Очень
большое различие между Te и Ti, характерное для большинства форм газового
разряда, обусловлено громадной разницей в величине массы электронов и
ионов. Внешние источники электрической энергии, с помощью которых создаётся
и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно
электронам плазмы, т.к. именно лёгкие электроны являются носителями
электрического тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря столкновениям
с быстро движущимися электронами. Однако при каждом отдельном столкновении
из-за большого различия в массе лёгкий электрон передаёт иону лишь
небольшую часть своей кинетической энергии. Простой анализ, основанный на
применении закона сохранения энергии и закона сохранения суммарного
количества движения, показывает, что если тело малой массы m сталкивается
упруго с телом во много раз большей массы M, то относительная доля
кинетической энергии, которую легкое тело в состоянии передать тяжёлому, не
может превысить [pic]. Отношение массы электрона к массе иона равно 1 (
1840 A, где A – атомный вес вещества, которому принадлежат ионы.
Следовательно наибольшая величина, передаваемой энергии соствляет всего
[pic]. Поэтому электрон должен испытать очень много столкновений с ионами,
для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии.
Поскольку параллельно процессам, при которых происходит обмен энергией
между электронами и ионами, идёт процесс приобретения энергии электронами
от источников электрического тока, питающего разряд, в плазме при газовом
разряде всё время поддерживаеться большой перепад температу между
электронами и ионами. Так, например, в упоминавшихся выше газоразрядных
приборах величина Te обычно лежит в пределах нескольких десятков тысяч
градусов, в то время как величины Ti и T0 не превышают одной-двух тысяч
градусов. При дуговом разряде, который используется в электросварке,
электронная и ионная температуры ближе друг к другу вследствие того, что в
этом случае разряд происходит в газе с большой плотностью и частые
столкновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность
температур. При некоторых специальных условиях в сильно ионизированной
плазме ионная температура может значительно превысить электронную. Такие
условия возникают, например, при кратковременных разрядах большой мощности
в экспериментальных установках. Например, можно взять угольные электроды,
создать высокое давление, и подвести ток большой силы. В этом случае в
узком межэлектродном пространстве возникнет сильно ионизированная плазма
при температуре 50 000 K.
Следует также рассмотреть особенности движения частиц пла-
змы. Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями
между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. Движение
частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно
сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем, запирать в
магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг
магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно.
Подробнее об этом будет рассказано ниже.
Квазинейтральность плазмы.
Даже в том случае, если плазма образуется в результате иони-
зации химически простого газа, например азота, кислорода, паров ртути, её
ионная компонента будет содержать ионы различных сортов – с одним, двумя,
тремя или более электронными зарядами. Следует отметить, что кроме
атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, а также нейтральные
атомы и молекулы. Каждая из этих компонент будет характеризоваться своей
концентрацией n и температурой T. В общем случае, когда в плазме
присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n1, двухзарядные – с
концентрацией n2, трёхзарядные – с концентрацией n3 и т.д., можно записать
равенство( ne = n1 + 2n2 + 3n3 + … Такое соотношение между концентрацией
отрицательных и положительных зарядов в плазме говорит о том, что плазма в
целом квазинейтральна, т.е. в ней нет заметного избытка зарядов одного
знака над зарядами другого. На этом свойстве плазмы следует остановиться
несколько подробнее, т.к. оно имеет существенное значение и, в конечном
счёте, в нём содержится самоё определение понятия «плазма». Естественно
возникает вопрос( «С какой степенью точности в ионизированном газе должно
соблюдаться условие квазинейтральности?». Каким бы путём не создавалась
ионизация, заранее совсем не очевидно, что положительных и отрицательных
зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов
и ионов, первые могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они
возникли. Поэтому если благодаря процессам ионизации атомов первоначально
образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то из-за
быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри
которой находиться ионизированный газ, ионы, казалось бы, должны оставаться
в значительном большинстве, т.е. не о какой нейтральности не может быть и
речи. С другой стороны, необходимо учесть, что при преимущественной утечке
зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток
зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов
и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих
знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы
поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.
Допустим для простоты, что в ионизированном газе присут –
ствуют кроме ионов только однозарядные ионы. Квазинейтральность означает,
что ne очень мало отличается от ni. Как отразиться на поведении отдельных
частиц заметное отклонение ne от ni? Здесь сразу же выделяются два крайних
случая. Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими
электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение,
даже если все поля складываются. В этом случае отдельные электроны и ионы в
своём поведении никак не связаны друг с другом и каждая частица движется
так, как будто все другие отсутствуют. Следовательно условие
квазинейтральности здесь не обязательно выполняется. Противоположный случай
ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему
большой объём. В этом случае избыточные заряды, возникающие при сильном
нарушении равенства между ne и ni, создают электрические поля, достаточные
для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.
В конечном счёте всё зависит от соотношения между потен-
циальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле,
возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней
кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.
До сих пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные яв-
ления возникают часто в объектах, казалось бы, далёких от газов.
Остановимся, например, на металлах или полупроводниках. По
современным представлениям их структура такова( есть решётка, состоящая из
упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть
газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых
электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный).
Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле
этого слова( в свободном состоянии именно таких частиц (т.е. с
соответствующими зарядом и массой) нет. Тем не менее уравнения, описывающие
их движение, подобны уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с
той разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от
структуры вещества. Эти величины обычно именуют эффективными массами
электронов и дырок. Поэтому электроны и дырки в твёрдых телах именуют
квазичастицами (лат. quasi – почти). Поскольку поведение заряженных
квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа
электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название
такой системы – твёрдотельная плазма.
Движение частиц плазмы.
Хотя мы можем рассматривать плазму как некоторую частную
форму газовой смеси (в простейшем случае как смесь двух компонент(
электронного и ионного газа), однако по целому ряду основных физических
свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные
частицы. Это различие проявляется прежде всего в поведении плазмы под
действием электрических и магнитных полей. В противоположность обычному
нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают
заметного воздействия, плазма под действием таких полей может очень сильно
изменять свои свойства. Под действием электрического поля (даже очень
слабого) в плазме появляется электрический ток. В магнитном поле плазма
ведёт себя, как очень своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может
также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами. В
частности, это находит выражение в том, что радиоволны могут отражаться от
плазмы, как от зеркала.
Попытаемся сначала нарисовать самую общую картину движе-
ния заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона можно
сначала очень грубо представить себе состоящим из отрезков, на протяжении
которых частица движется свободно, не испытывая
модействия с соседями. Эти участки свободного движения частиц
| | скачать работу |
Вещество в состоянии плазмы |