ПЕРЕНОСА


ПЕРЕНОСА
ПЕРЕНОСА

ПРОЦЕССЫ в плазме- неравновесные процессы, приводящие к выравниванию пространственных распределенийпараметров плазмы - концентраций, среднемассовой скорости и парциальныхтемп-р электронов и тяжёлых частиц. В отличие от П. п. нейтральных частиц, <П. п. в плазме зависят от напряжённостей собственных самосогласованныхэлектрич. Е и магн. В полей, к-рые определяютсятоками и объёмными зарядами частиц плазмы. Поэтому П. п. в плазме в общемслучае описываются системой ур-нии переноса частиц, импульса и энергиии ур-ний Максвелла.
В гидродинамич. приближении, когда смещениячастиц между столкновениями (в отсутствие магп. поля - длина свободногопробега 15043-28.jpg )меньше характерных масштабов неоднородности плазмы L, а характерныечастоты не превосходят частот столкновений v, классические (столкновительные)П. п. описываются матрицей коэф. переноса. Она линейно связывает потокичастиц, импульса и энергии с факторами, нарушающими термодипамич. равновесие,- градиентами парциальных концентраций и темп-р, неоднородностью скорости, <электрич. полем (см. Переноса явления). Вследствие большого различиямежду массами электронов и тяжёлых частиц (ионов и нейтральных молекул)темп-ры их, вообще говоря, различны, поэтому перенос энергии лёгкой и тяжёлойкомпонентой рассматривают отдельно. Напр., в отсутствие магн. поля . потоктепла 15043-29.jpgобусловленный температурным градиентом 15043-30.jpgк.-л. компоненты 15043-31.jpgесть 15043-32.jpgгде 15043-33.jpg -уд. теплоёмкость при пост. ооъёме,15043-34.jpg- коэф. температуропроводности. Парциальный тензор плотности потока импульса 15043-35.jpgгде тензор скорости сдвигов

15043-36.jpg

При В = 0 оценки для коэф. <температуропроводности 15043-37.jpgи кинематич. вязкости 15043-38.jpgв плазме такие же, как и в нейтральных газах:15043-39.jpgгде 15043-40.jpg -концентрация,15043-41.jpg- масса частиц компоненты 15043-42.jpgПеренос частиц в плазме обусловлен градиентами концентрации (диффузия),темп-ры (термодиффузия) и электрич. полем.
П. п. в слабоионизованной плазме без магнитногоноля. В слабоионизов. плазме, а также в полупроводниках и слабых электролитахимеется выделенная система отсчёта, связанная с нейтральной компонентой(в полупроводниках - с решёткой). Если столкновения заряж. частиц междусобой несущественны, то потоки частиц определяются трением их о нейтральныйгаз и равны в этой системе:

15043-43.jpg

где 15043-44.jpg- коэф. диффузии, термодиффузии,15043-45.jpg- подвижность; при этом 15043-46.jpgЭти коэф. связаны с темп-рой и зарядом частицы 15043-47.jpgсоотношением Эйнштейна:15043-48.jpgСуммарная проводимость плазмы 15043-49.jpg
Неоднородность плазмы создаёт самосогласованноенеоднородное электрич. поле, к-рое при медленных процессах определяетсяусловием квазинейтралъности плазмы 15043-50.jpg иявляется потенциальным. Простейшим примером влияния самосогласованногоэлектрич. поля на П. п. является амбиполярная диффузия а простой( п е= ni = п )слабоионизов. плазме при Т е = Т =const, к-рая описывается ур-нием

15043-51.jpg

где I соответствует рождению и рекомбинациичастиц, а коэф. амбиполярной диффузии

15043-52.jpg

определяется наим. подвижными частицами(ионами). Электрич. поле тормозит электроны и приводит к совместной диффузииэлектронов и ионов, потоки к-рых Г е, Г i водномерном случае отличаются на пост. вектор, т. е. плотность тока j= const. При I =0характерное диффузионное время жизни неоднородности 15043-53.jpg=L2/ DA, где L - характерный размернеоднородности. Эта ситуация является вырожденной: ур-ние не содержит явноэлектрич. поля и не зависит от тока, протекающего через неоднородную плазму.
Диффузия в плазме с ионами разных сортовдаже при j= 0 не сводится к амбиполярной, т. к. электрич. полеоказывается пропорциональным градиентам всех парциальных концентраций. <При этом нек-рые потоки частиц могут быть направлены в сторону возрастанияих концентрации. В многокомпонентной плазме или в случае, когда подвижностизависят от электрич. поля, протекание пост. тока приводит к движению неоднородностейсо скоростью амбиполярного дрейфа. В плазме, содержащей k сортовзаряж. частиц с пост. подвижностями, имеется (k -2) разл. значенийскорости амбиполярного дрейфа, соответствующих разным типам сигналов. Напр.,если имеются ионы двух сортов (i1, i2 )с подвижностями bi115043-54.jpgbi2,то при ni2 = const скорость амбиполярного дрейфа

15043-55.jpg

В простой газоразрядной плазме обычно существенназависимость подвижности электронов от электрич. поля b е (Е). При этом 15043-56.jpgгде 15043-57.jpg = д(lnb е)/д(ln Е). Скоростьамбиполярного дрейфа va характеризует распространениеквазинейтральных возмущений концентрации (волн плотности) плазмы. Большиевозмущения (как волны большой амплитуды) из-за нелинейной связи между концентрациямии скоростями потоков (*) деформируются и опрокидываются. Возникают областис резкими градиентами концентрации - скачки, аналогичные ударным волнам,- где существенна диффузия или нарушается квазинейтральность. Если же масштабнеоднородностей L15043-58.jpgТ/(еЕ), тоэволюция их и при наличии тока определяется лишь диффузией.

П. п. в слабоионизованной плазме в магнитномполе. Т. к. смещение заряж. частиц поперёк магн. поля В уменьшаетсяс ростом В, то коэф. переноса являются тензорами: вдоль В их компоненты такие же, как и при В = 0, а поперёк -малы. При 15043-59.jpg(15043-60.jpg15043-61.jpg- циклотронная частота) в слабоионизов. плазме поперечные диагональныеэлементы тензоров диффузии имеют вид

15043-62.jpg

15043-63.jpg- ларморовский радиус). В сильном магн. поле 15043-64.jpgтогда как 15043-65.jpgНедиагональные (холловские) компоненты тензоров подвижности в этих же условиях 15043-66.jpgсоответствуют дрейфу в скрещенных полях:

15043-67.jpg15043-68.jpg

Даже в простой слабоионизов. плазме в магн. <поле перенос частиц не сводится к амбиполярной диффузии. Для её реализациибыл бы необходим электрич. потенциал, тормозящий во всех направлениях наиб. <подвижные частицы (электроны - вдоль В; ионы - поперёк В). Такой потенциал, как правило, не удовлетворяет граничным условиям иможет реализоваться лишь в исключит. случаях. Поэтому и ур-ние амбиполярнойдиффузии описывает лишь одномерную эволюцию поперёк В, атакже эволюцию профилей вида n(r,z) =n1(r)n2(z)(z - координата вдоль В, r - поперёк В) в диэлектрич. баллоне или в неограниченной плазме (в последнем случаетакой профиль реализуется лишь при очень сильном превышении возмущённойконцентрации над фоновой). Характерное диффузионное время жизни при этом

15043-69.jpg

где 15043-70.jpg15043-71.jpg- размеры неоднородности вдоль и поперёк В. В общем случае условие квазинейтральноститребует равенства divГ e = divFi и по плазмепротекает вихревой ток. Тогда эволюция может определяться не наименьшими, <а наибольшими коэф. диффузии по каждому направлению. Такой режим "короткогозамыкания" наблюдается при диффузии плазмы, ограниченной металлич. стенками. <При этом электроны уходят из плазмы вдоль В, ионы - поперёк В,и по плазме протекает ток, к-рый замыкается через проводящие стенки камеры. <Характерное время такой диффузии 15043-72.jpgможет быть на порядки меньше амбиполярного. В неограниченной плазме возмущениееё концентрации приводит к появлению вихревого тока, к-рый определяет диффузионнуюэволюцию неоднородности. На рис. 1 приведены поверхности пост. концентрациипри диффузии малого (точечного) возмущения в однородной неограниченнойплазме. Характерные размеры возмущённой области вдоль и поперёк В определяютсянаиб. подвижными в каждом направлении частицами и равны соответственно

15043-73.jpg

15043-74.jpg

Для выбранного на рис. 1 примера отношение 15043-75.jpgравно 10. Поляризац. электрич. поле вызывает протекание электронного иионного токов по фоновой плазме, поддерживающих квазинейтральность и формирующихобласть с пониж. концентрацией плазмы (заштрихована на рис. 1). Скоростьамбиполярного дрейфа в магн. поле отлична от нуля даже в простой слабоионизов. <плазме. Поэтому при протекании внеш. тока через неоднородность эволюцияеё сопровождается движением и нелинейной деформацией профиля, образованиемскачков и разделением неоднородности на движущиеся с разной скоростью сгусткиплазмы.

15043-76.jpg

Рис. 1. Линии равной концентрации при диффузииточечного возмущения в однородной неограниченной плазме. Размеры областивозмущения вдоль поля в 10 раз больше области возмущения поперёк поля.

П. п. в полностью ионизованной плазмев однородном магнитном поле. Неоднородная плазма разлетается вдольВ со скоростью ионно-звуковых волн ~15043-77.jpgпоэтому не существует диффузии простой, полностью ионизованной плазмы вдольВ, реализуется только диффузия поперёк поля, определяемая электронами 15043-78.jpgПодвижности компонент также отсутствуют - определена только суммарная проводимость. <Оценки для температуропроводности такие же, как и в слабоионизов. плазме, <т. е.15043-79.jpgпри Т е~ Т i. В сильном магн. поле поперечноек В электрич. поле с точностью до 15043-80.jpgне приводит к току, а вызывает дрейф всей плазмы в целом со скоростью с[ЕВ]/В 2 (см.Дрейф заряженных частиц). В полностью ионизованной плазме имеютсятакже т. н. косые (описываемые недиагональными элементами тензора) потокичастиц поперёк В (рис. 2):15043-81.jpgВ прямом однородном магн. поле их дивергенция равна нулю 15043-82.jpgт. к. они не связаны с перемещением ведущих центров ларморовских орбит, <а обусловлены неполной компенсацией потоков электронов и ионов из-за неоднородногораспределения их орбит. В неоднородном магн. поле 15043-84.jpgиз-за дрейфа ведущих центров связанного с неоднородностью и кривизной магн. <поля.

15043-83.jpg

Рис. 2. Потоки частиц в неоднородной плазмепоперёк магнитного поля.

"Косые" потоки электронов и ионов, проявляющиесякак диамагн. ток, приводят к появлению силы трения электронов об ионы R= mevei е - Г i).Дрейфовое движение электронов и ионов поперёк В под действиемэтой силы происходит совместно в направлении против 15043-85.jpgсо скоростью ~ c[BR]/e2B2. ипроявляется как амбиполярная диффузпя с коэф.15043-86.jpgТого же пооядка поперечные диагональные коэф. термодиффузии 15043-87.jpgПеренос ионов примеси происходит значительно быстрее, т. к. он обусловленионно-ионными столкновениями и не связан с переносом электронов. Даже приоднородной темп-ре он не сводится к диффузии, поскольку поток примеси содержитслагаемые, иропорц. как градиенту её концентрации, так и градиенту концентрацииосн. компоненты.
Перенос импульса (вязкость) в полностьюионизованной плазме определяется ионами. Тензор вязкости 15043-88.jpgв магн. тюле имеет элементы, пропорц. ларморовскому радиусу 15043-89.jpg15043-90.jpgи 15043-91.jpg и ~15043-92.jpgВязкость и инерция ионов приводят к дополнительному по сравнению с диффузионнымпотоку ионов. Условие обращения его в нуль определяет поперечное к В амбиполярноеэлектрич. поле.
Перенос тепла не связан условием квазинейтральностии происходит, вообще говоря, быстрее, чем перенос частиц. Напр., поперечная(диагональная) теплопроводность полностью ионизованной плазмы определяетсяионами: коэф. температуропроводности

15043-93.jpg

Классич. описание П. п. возможно при оченьмалом смещении частиц между столкновениями (малой длине свободного пробега).В полностью ионизованной плазме, где сечения столкновений падают с ростомскорости, для описания быстрых электронов, у к-рых длина пробега велика, <необходим кинетич. подход, учитывающий, что электроны, ускоряемые электрич. <полем между столкновениями, могут приобрести такую скорость, что они ужеперестанут тормозиться за счёт столкновений. С др. стороны, даже в слабостолкновит. <плазме с достаточно плавными ф-циями распределения, к-рые можно характеризоватьанизотропными темп-рами, потоки пропорциональны градиентам макроскопич. <параметров, что даёт возможность построить замкнутую систему ур-ний переноса.

Неоклассические П. п. в неоднородноммагнитном поле. Все диагональные коэф. переноса поперёк В спадают с ростом . как В -2. На этом основаноудержание плазмы в магнитных ловушках. Однако из-за криволинейностии неоднородности магн. поля П. п. в них оказываются сложнее. Дрейфы заряж. <частиц в неоднородном магн. поле приводят к поляризации плазмы и к течениюеё в скрещенных электрич. и магн. полях. Поэтому П. п. поперёк магн. поверхностейв гидродинамич. приближении, напр., носят характер своеобразной конвекции. <В этом режиме эфф. неоклассич. коэф. температуропроводности (рис. 3,III)и диффузии в токамаке в 15043-94.jpgраз больше, чем в прямом цилиндре (15043-95.jpg= r/R - отношение малого и большого радиусов магн. поверхности,15043-97.jpg- отношение полоидального и тороидального магн. полей).

15043-96.jpg

Рис. 3. Зависимость неоклассической ионнойтемпературопроводности от частоты столкновений в токамаке: I - режим редкихстолкновений ("банановый"); II - режим плато; III - гидродинамический режим.

В режиме редких столкновений (рис. 3, I)смещение частиц поперёк В между столкновениями может намногопревышать ларморовский радиус. При этом осн. вклад в радиальный неоклассич. <перенос дают частицы с малыми продольными скоростями, запертые из-за неоднородностиполя В на внеш. обводе тора. Проекции их траекторий на плоскостьмалого сечения тора имеют вид бананов шириной 15043-98.jpgПри столкновении такие частицы смещаются на большое расстояние (порядка 15043-99.jpg )и эфф. частота столкновений для них высока, поэтому, несмотря на малочисленность, <именно они определяют П. п.:15043-100.jpgДиффузия автоматически амбиполярна;15043-101.jpgВ промежуточном режиме (плато II на рис. 3) коэф. переноса тоже определяютсячастицами с малыми продольными скоростями и не зависят от частоты столкновений. <Неоклассич. П. п. существенны также в др. магн. ловушках - стеллараторах, <открытых ловушках.

Аномальные П. п. Применимость представленийо классических (столкновительных) П. п. ограничена тем, что в неоднороднойплазме, особенно в магн. поле, возможны многочисл. неустойчивости. В результатеих развития плазма может перейти в турбулентное состояние. Возникающиепри этом хаотич. электрич. и магн. поля в ряде случаев приводят к аномальнымП. п., на порядки превышающим классические. Макроскопич. потоки частиц, <импульса и энергии при этом определяются не только средними полями и профилями, <но и установившимися уровнем и спектром колебаний. Аномальную диффузиючастиц сравнивают с Бома диффузией, к-рая наблюдалась в газовыхразрядах. Перенос частиц и электронный теплоперенос в токамаках такжеаномальны и значительно превышают неоклассич. значения, но оказываютсяменьше бомовских. Как правило, не удаётся построить замкнутую систему ур-ний, <описывающую аномальные П. п.; результаты в осн. сводятся к полуколичеств. <оценкам. Исключение составляет случай слабой турбулентности, когдав квазилинейном приближении удаётся описать аномальные П. п. Построениеобщей количеств. теории аномальных П. п. является одной из наиб. актуальныхзадач физики плазмы.

Лит.: Галеев А. А., Сагдеев Р. 3.,"Неоклассическая" теория диффузии, в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 7,М., 1973; Xинтон Ф., Явления переноса в столкновительной плазме, пер. сангл., в кн.: Основы физики плазмы, т. 1, М., 1983; Xортон В., Дрейфоваятурбулентность и аномальный перенос, пер. с англ., в кн.: Основы физикиплазмы, т. 2, М., 1984; Ораевский В. Н., Коников Ю. В., Xазанов Г. В.,Процессы переноса в анизотропной околоземной плазме, М., 1985; РожанскийВ. А., Цендин Л. Д., Столкновительный перенос в частично ионизованной плазме, <М., 1988.

В. А. Рожанский, Л. Д. Цендин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ПЕРЕНОСА" в других словарях:

  • ПЕРЕНОСА ЯВЛЕНИЯ — необратимые процессы, в результате к рых в физ. системе происходит пространств. перенос электрич. заряда, массы, импульса, энергии, энтропии или к. л. другой физ. величины. П. я. описываются кинетич. ур ниями (см. КИНЕТИКА ФИЗИЧЕСКАЯ). Причины П …   Физическая энциклопедия

  • ПЕРЕНОСА ЯВЛЕНИЯ — (кинетические процессы) необратимые процессы переноса массы, энергии, импульса, заряда, происходящие в средах вследствие движения и взаимодействия микрочастиц. Причина переноса явления наличие в среде градиентов температуры, концентрации и др. К… …   Большой Энциклопедический словарь

  • Переноса правила — правила разбивки слов при переносе их части из одной строки в другую. П. п. установлены Правилами русской орфографии и пунктуации (М., 1956) и техн. правилами набора. Первые из этих правил запрещают: 1) оставлять в конце строки или переносить в… …   Издательский словарь-справочник

  • Переноса явления — необратимые процессы пространственного переноса какой либо физической величины (массы, импульса, энергии, электрического заряда и т. д.), происходящие в неоднородных сплошных средах вследствие взаимодействия хаотически движущихся микрочастиц… …   Энциклопедия техники

  • ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕОРИЯ — исследование прохождения электромагнитного излучения, гамма квантов, нейтронов и др. элементарных частиц через вещество с помощью линейного кинетического уравнения, или уравнения переноса (см. Кинетическое уравнение). Задача определения поля… …   Математическая энциклопедия

  • ПЕРЕНОСА ПОВЕРХНОСТЬ — поверхность, образованная параллельным переносом кривой L1 так, что нек рая ее точка скользит по кривой L2. Если r1(u) и r2(v) радиус векторы кривых L1 и L2 соответственно, то радиус вектор П. п. есть , где радиус вектор точки М 0. Линии и=const… …   Математическая энциклопедия

  • переноса явления — (кинетические процессы), необратимые процессы переноса массы, энергии, импульса, заряда, происходящие в средах вследствие движения и взаимодействия микрочастиц. Причины явлений переноса  наличие в среде градиентов температуры, концентрации и др.… …   Энциклопедический словарь

  • ПЕРЕНОСА УРАВНЕНИЯ — численные методы решения методы решения интегро дифференциальных уравнений, описывающих перенос частиц или излучения. Для стационарных задач уравнения имеют вид (1) где , единичный вектор, поток частиц в точке х, летящих со скоростью… …   Математическая энциклопедия

  • ПЕРЕНОСА ПРОЦЕССЫ — необратимые процессы пространств. переноса массы, импульса, энергии или др. Причины этих процессов пространств. неоднородности состава, скорости движения частиц системы, т ры. Перенос происходит в направлении, обратном градиенту концентрации, т… …   Химическая энциклопедия

  • ПЕРЕНОСА СОПРОТИВЛЕНИЕ — Использование переноса во время психоанализа как защиты от тревоги. То есть использование переноса для сопротивления чему то, порождающему тревогу, например, раскапыванию прошлого или перспективе окончания анализа и вынуждению действовать без… …   Толковый словарь по психологии

Книги

Другие книги по запросу «ПЕРЕНОСА» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.