Физика плазмы

1.

• Πλάσμα
УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИX НАУК
(УФН) 1981 г. Апрель Том 133, вып. 4
• ИЗ ИСТОРИИ ФИЗИКИ
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ГАЗОВОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
С. Браун
Вгоwn Sanborn С. A Short History of
Gaseous Electronics.

2.

Πλάσμα

3. Πλάσμα

4. Πλάσμα

5. Πλάσμα

6. Πλάσμα

7.

• πλάσμα
• Четвертое состояние вещества
• ≪Эти явления настолько непохожи на происходящее в воздухе
или газе при обычном давлении, что мы вынуждены
предположить, что здесь мы оказались лицом к лицу с
веществом в Четвертом Состоянии, в состоянии столь же
далеком от газового состояния, как газ от жидкости.
Изучая это Четвертое Состояние вещества, мы, кажется,
наконец, ухватили и подчинили своему контролю маленькие
неделимые частички, которые, как можно предположить с
большой уверенностью, составляют физическую основу
Вселенной ... Мы действительно соприкоснулись с гранью, где
Вещество и Сила как бы проникают друг в друга, с призрачным
царством между Известным и Неизвестным, к которому меня
всегда особенно тянуло. Я осмелюсь думать, что величайшие
научные проблемы будущего найдут свое решение в этой
Пограничной Стране, и даже за ней; там, кажется мне, лежит
Высшая Истина, нежная, глубокая, удивительная≫
(Уильям Крукс, 1879г.)

8. У

• πλάσμα
• Четвертое состояние вещества
• Sir William Crookes (1832-1919)
• У У физики было не так много пророков, но сэр Уильям Крукс
заслуживает того, чтобы считаться одним из них. Всю свою
жизнь он проработал с ≪вакуумными≫ трубками, фокусируя
таинственные лучи на светящиеся под их ударами минералы,
раскручивая слюдяные ≪гребные колесики≫этими лучами,
пытаясь определить их характеристики задолго до того, как
были открыты, в нынешнем смысле слова, электроны или ионы,
задолго до того, как стали думать о том, чтобы хотя бы
применить к его опытам представления о подвижности,
диффузии, прилипании или рекомбинации.

9. Πλάσμα

10. Πλάσμα

Как важно найти правильное слово!
Дело было в Америке, ее открыл Христофор Колумб (Christóbal Colón), а назвал Америго
Веспуччи (Amérigo Vespucci).
Из воспоминаний доктора Тонкса:
«Однажды Ленгмюр зашел в мою комнату в исследовательской
лаборатории “General Electric” и сказал: “Слушайте, Тонкс, я
ищу слово. В этих газовых разрядах мы называем область
непосредственно вблизи стенки или электрода слоями, и это
видимому, подходит; но как назвать основную часть разряда?…
Там полная нейтрализация пространственного разряда. Не
хочется изобретать слово, но оно должно описывать эту область,
как отличающуюся от слоев. Что бы Вы предложили?”
Мой ответ был классическим: “Надо по-думать, д-р Ленгмюр”».
На следующий день Ленгмюр влетел и объявил: «я знаю, как это
назвать! Мы назовем это – плазма».

11. Πλάσμα

12.

πλάσμα
Плазма в космосе
В состоянии плазмы находится подавляющая часть видимого
вещества Вселенной — звёзды, звёздные атмосферы, туманности
галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма.
существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет
магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и
Литература
ионосферу.
NASA, ISAS, http://www.spacescience.org/
http://sec.gsfc.nasa.gov/

13.

πλάσμα
В молнии Т ~ 2 х 104 К, n~ 2,5 1019 (число электронов или
ионов в см3) (плотность воздуха)
Такую плазму называют слабонеидеальной.

14.

πλάσμα
Процессами в околоземной плазме
обусловлены магнитные бури и полярные
Литература
сияния.

15.

πλάσμα
Плазма в космосе
Литература
/
NASA, ISAS, http://www.spacescience.org
http://sec.gsfc.nasa.gov/

16.

πλάσμα
Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц
Плазма (от греч. πλάσμα — вылепленное, оформленное),
частично или полностью ионизованный газ, в котором
плотности положительных и отрицательных зарядов
практически одинаковы.
Термин «плазма» в физике был введён в 1923 американскими
учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые
измерения параметров низкотемпературной газоразрядной
плазмы.
Ионизированное вещество называется плазмой, если оно состоит из свободных
отрицательно и положительно заряженных частиц, и если при этом область
занимаемая плазменным является электрически нейтральной, а её размер
значительно превышает характерный размер на котором возможно произвольное
нарушение электронейтральности.

17.

Что такое плазма?
Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц
При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если
увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы
газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация
газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением
(фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.
плавление
испарение ионизация Кулоновский барьер
Ядерный барьер
Жидкость
кристалл
Газ Плазма
0.01 эВ
1 эВ
Газ
плазма
10 эВ
плазма
термояд.
плазма
100 кэВ
Энергия фазового перехода
10 МэВ

18.

Единица
-
+
U=1В
1 эВ
mV2
eU=
2
-19
1эв=1,6*10 Дж
0
1эв~10604,5 K
-1
1эв= 8065,48 см
eU[Дж]
kT
kT[Дж]
[эВ]
T[эВ]

19.

Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц
*кулоновское взаимодействие
*тепловое движение
*коллективные эффекты (согласованное движение частиц под
действием различных полей и сил)
ni
ni
0
1
n0
na ni
ne
n
m
m
i
ni
ni
1
n0
na ni
ni
ni
1
n0
na ni
L p l q rd

20.

Классическая и вырожденная плазма.
:
Плотность:
Температура:
Классическая и вырожденная плазма.
«Квантовый» масштабдлина волны Де-Бройля
«Плазменный» масштабрасстояние между частицами
Классическая плазма:

21.

Классическая и вырожденная плазма.
Литература

22.

Идеальная и неидеальная плазма.
Идеальная и неидеальная плазма.
Идеальная
неидеальная плазма.
Плазменные электроны
- например Ферми-газ
Литература

23.

T-n диаграмма
Tе, эВ
-
104
100
высокотемпературная
низкотемпературная
1
0.01
1
106
1010 1016 1020 1026
n,см-3

24. T – n диаграмма

Tе, эВ
104
100
1
0.01
1
106
1010 1016 1020 1026
n,см-3

25. T, n параметры различных плазм

26. Критерии плазменного состояния:

1.
Наличие свободных заряженных частиц.
=ne/no>0
2.
Квазинейтральность.
ne ni
3.
Характерный размер плазменного объема
больше характерного размера на котором
возможно разделение зарядов.
Lpl >l q
Плазма-квазинейтральна
На каком масштабе
сохраняется
квазинейнтральность
плазмы?
Е=0

27.

Дебаевская экранировка
На каком масштабе сохраняется квазинейтральность плазмы?
E 4 e n 2
l
l
divE 4
4 e 2 n e
l
l
2
T
e Tn
l2
Дебаевский
радиус
T
rD
4 ne 2
Литература
Е

28.

Плазменные колебания
Дебаевский радиус есть пространственный масштаб ,
на котором возможно спонтанное разделение зарядов
Временной масштаб:
T
e T , VTe
m
l
сила
Литература
Е
rD
t
VTe
T
4 ne 2
T
m
m
4 ne 2
За это время прилетят
электроны и сравняют
флуктуацию плотности
зарядов

29.

Плазменные колебания
Макроскопическое отклонение от квазинейтральности
ведет к появлению электрического поля.
Для плоского слоя плазмы:
x
-смещение электронов
m x eE x 4 ne 2 x
Ленгмюровские колебания
Плазменная частота
Литература
4 ne
p
m
2

30.

Дебаевская экранировка
Дебаевская экранировка
4
Уравнение
Пуассона
q r rD
e
r
Литература

31.

Дебаевская экранировка
Дебаевский (красная линия) и кулоновский (зеленая линия) потенциал.
3
q r rD
e
r
2
1
0
1
r
2
rD
3

32.

Следствие дебаевской экранировки
Электростатическое поле проникает в плазму не глубже rD
Электрическое поле отдельной частицы в плазме «экранируется» частицами
противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка rD
от частицы. Величина rD определяет и глубину проникновения внешнего
электростатического поля в плазму (экранировка этого поля также вызывается
появлением в плазме компенсирующих полей пространственных зарядов).
Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности плазмы, где более
быстрые электроны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину
~ rD.

33.

Дебаевская экранировка
r
D
r
T
2
4 ne
D
Электроны, вылетая по инерции из плазмы, нарушают
квазинейтральность на длине порядка дебаевского радиуса
экранирования rD и повышают потенциал плазмы (ni, и ne —
соответственно, плотности ионов и электронов).
Литература

34.

Дебаевская экранировка
Число частиц в дебаевской сфере:

35.

Параметр неидеальности
Литература

36.

Параметр неидеальности

37.

Не только интернет- библиотека !
1. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы
М. Атомиздат. 1964 г.
2. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы
М. Наука, 1975 г.
3. Райзер Ю.П. Физика газового разряда
Издательский дом "Интеллект", 2009.
4. Мак А.А, Соловьев Н.А. Введение в физику
высокотемпературной плазмы.
Ленинград. 1991 г.
5. Лохте-Хальгревен. Методы исследования плазмы.
Мир. 1971 г.
6. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. Госатомиздат
1961 г.
7. Радциг А.А., смирнов Б.М Справочник по атоиной и молекулярной физике.
Атомиздат. 1978 г.