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:

Однородный водородный состав

Энерговыделяющее ядро

Зона лучистого переноса

Конвективная оболочка

Гелиевое ядро

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=4nex, где n - концентрация плазмы (концентрация электронов и ионов ).

• 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:

Схема разделения зарядов

2 3 3

[ ] [ ][ ] 7 500

4 [ ] [ ]d

kT T K T эВr см

ne n см n см

Плазменная частота Полагая, что ионы покоятся, рассмотрим движение электрона в

электрическом поле Е. Уравнение движения электрона

где - 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:

m x eE ne xe , 4 2 em

231 4

[ ] 5.6 [ ],pe

nen см

c m

Критерий квазинейтральности плазмы

• пространственный критерий квазинейтральности плазмы

имеет вид:

• временной критерий квазинейтральности плазмы имеет

вид:

• радиус Дебая может быть связан с плазменной частотой

соотношением:

• так что временной критерий вытекает из пространственного.

d харr l

1хар

p

t

1d Тe

p

r V

Классификация видов плазмы. • Плазма называется идеальной, если • Если для характеристики плазмы ввести величину, равную

количеству частиц в дебаевской сфере (число Дебая):

, то условие идеальности примет вид:

Прямая отделяет область идеальной плазмы и

неидеальной. • плазма становится квантовой вырожденной, при• Низкотемпературной (холодной или газообразной)

плазмой называют плазму, у которой средняя энергия электронов меньше потенциала ионизации атомов газа (T < 10 эВ).

2 1/3kT e n

3/ 23 3

1/ 2 3

4 [ ]5 10

3 [ ]d d

T KN nr

n см

1dN 1dN

3/ 2

1

e em V n

Таблица .

Межгалактичес

кая плазма

Ионосфера

Земли

Плазма газового разряда

Термоядерная

плазма

Солнце

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

105

1010

105

1010 1015 1020 1025

n, см-3

Межпланет-ная

плазма

Ионосфе-ра Земли

Солнечн-ый ветер

Солнечная корона

Термоядернаяплазма

Релятивистская плазма

Nd = 1Квантовая вырожден-

наяплазма

Неидеальная плазма

n, см-3

Т, К