Основные понятия физики плазмы. Электродинамика быстрых процессов в плазме

Часть III. Электродинамика плазмы и газового разряда. Основы электрогидродинамики.

13. Основные понятия физики плазмы. Электродинамика быстрых процессов в плазме.

Определение плазмы. Параметры, характеризующие плазму. Предварительное определение понятий: квазинейтральность, плазменная частота, дебаевский радиус. Газовое приближение. Плазменный параметр. Уравнения электродинамики быстропеременных процессов в плазме. Диэлектрическая проницаемость однородной изотропной плазмы. Дебаевское экранирование. Продольные плазменные колебания в холодной плазме. Продольные плазменные волны в горячей плазме. Диффузия плазмы. Диффузия в слое плазмы, ограниченном стенками. Действие статического источника ионизации в плазменном слое. Влияние внешнего магнитного поля, анизотропия плазмы. Диффузия слабоионизированной плазмы поперек магнитного поля.

13.1. Определение плазмы. Параметры, характеризующие плазму. Предварительное определение понятий: квазинейтральность, плазменная частота, дебаевский радиус. Газовое приближение. Плазменный параметр.

1). Определение плазмы Плазма представляет собой четвертое состояние вещества (ионизированный газ). Впервые термин «плазма» при исследовании физических процессов был веден Ленгмюром и Тонксом (1929 г.). Они исследовали электрический разряд в газе и использовали ионно-звуковое приближение для описания процесса. Предварительное (не строгое и не полное) определение плазмы: ионизированный газ, состоящий из большого числа электронов и положительно и отрицательно заряженных частиц (ионов), а в ряде случаев также из нейтральных атомов и молекул. Именно наличие большого числа заряженных частиц обусловливает специфические свойства плазмы, которые и позволяют определить ее как четвертое состояние вещества. В равновесии плазма в среднем электрически нейтральна – заряды электронов и ионов взаимно компенсируются. Полного определения плазмы дать не возможно, так как оно должно охватывать очень широкий круг явлений. В данном курсе предметом изучения будет только узкая область: электродинамические свойства плазмы. С ионизированным газом, который удовлетворяет понятию плазма, приходится встречаться практически всюду. Приведем несколько примеров.

            Слои выше атмосферы Земли – ионосфера, межпланетное и космическое пространство могут служить такими примерами. В нижних слоях атмосферы до высот порядка 100 км. Число заряженных частиц ничтожно мало. На высотах 300-500 км. Их число достигает максимума (это так называемый слой ). На больших высотах происходит переход к сильно разреженной межпланетной плазме.

            Плазма звездных атмосфер (в частности, Солнца). В звездах происходят реакции синтеза легких элементов, это термоядерные реакции. Они обеспечивают выделение энергии, нагрев вещества и ионизацию его.

            Плазма газового разряда. Она возникает в результате ионизации нейтральной среды (как правило под действием электрического поля). Для газового разряда типична низкая температура плазмы.

            Твердотельная плазма. – электронная плазма металлов и электронно – дырочная плазма полупроводников.

            Пылевая плазма содержит кроме электронов и ионов заряженные макроскопические частицы. Такая плазма присутствует в кольцах планет, хвостах комет, в солнечном ветре, в звездах, в плазменно – пылевых кристаллах.

            Перечисленный ряд можно продолжить практически неограниченно.

            2). Параметры, характеризующие плазму. Обсудим параметры, характеризующие плазму (свойства пылевой плазмы здесь обсуждать не будем). Плазма состоит из отрицательно заряженных частиц (электроны и отрицательные ионы), положительных ионов (газовая плазма), дырок (плазма твердого тела) и нейтральных частиц. Как правило, отрицательные ионы не играют большой роли в плазменных явлениях, ниже влиянием их будем пренебрегать.

            Прежде всего необходимо знать концентрацию частиц разного сорта , где индекс  означает сорт частиц. Ниже все величины, относящиеся к электронам будем обозначать индексом , к ионам (дыркам) – индексом , а к нейтральным частицам – индексом .

            Состав плазмы характеризуется степенью ионизации . Плазму называют слабоионизированной при выполнении условия  и полностью ионизированной при .

            Частицы характеризуются зарядом  и массой . В газовой плазме , , заряд ионов  - кратность ионизации), масса иона  - атомный вес соответствующего газа.

В плазме твердого тела массы электрона и дырок отличны от массы свободного электрона.

В металлах масса электрона приблизительно равна , в полупроводниках масса электрона, как правило . Заряд отрицательных носителей равен заряду электрона, а заряд положительных носителей .