ПРОВОДИМОСТЬ ПЛАЗМЫ


ПРОВОДИМОСТЬ ПЛАЗМЫ
ПРОВОДИМОСТЬ ПЛАЗМЫ

- способность плазмы пропускать электрич. ток под действием электрич. поля и сторонних сил (индукц. электрич. поля, градиента давления и др.); физ. величина s, количественно характеризующая это явление. Электрич. ток в плазме представляет собой упорядоченное движение электронной и ионной компонент и определяется величиной зарядов, плотностью частиц, их массой и скоростью движения, а также частотами их столкновений:

4014-6.jpg

Здесь j - плотность тока,4014-7.jpg- заряд, плотность и ср. скорость ионов сорта 4014-8.jpg- плотность и ср. скорость электронов.

В классич. конденсиров. средах (металлах, электролитах) плотность тока j с большой степенью точности линейно зависит от напряжённости электрич. поля и наводимой эдс ( Ома закон):

4014-9.jpg

где 4014-10.jpg- скорость среды, 4014-11.jpg- уд. проводимость среды, зависящая от темп-ры.

Простота закона (2) объясняется малой длиной свободного пробега носителей тока. Благодаря этому их движение близко к хаотическому тепловому движению частиц, на к-рое накладывается слабый дрейф вдоль силовых линий электрич. поля 4014-12.jpg0.

В плазме пробеги частиц могут быть самыми разнообразными. При давлении порядка атмосферного в низкотемпературной плазме длина свободного пробега невелика (4014-13.jpg см), хотя она и больше пробега в конденсиров. средах. В высокотемпературной плазме длины свободных пробегов частиц очень велики. Так, напр., в токамаках длина свободного пробега 4014-14.jpgсм при 4014-15.jpg и 4014-16.jpg10 кэВ. В этих условиях траектории заряж. частиц определяются преим. не столкновениями, а полями, существующими в плазме, и имеют очень сложный вид, а связь j c E* теряет локальный характер (см. Переноса процессы). Такое отличие длины свободного пробега, а следовательно и свойств проводимости высокотемпературной плазмы от низкотемпературной, объясняется тем, что сечение "кулонов-ского" столкновения заряж. частиц быстро падает (а длина свободного пробега растёт) с ростом относит. энергии 4014-17.jpgсталкивающихся частиц:

4014-18.jpg

Если измерять 4014-19.jpgв эВ, то 4014-20.jpg Следовательно, при 4014-21.jpg1 эВ значение 4014-22.jpg существенно больше газокинетического 4014-23.jpg, но уже при304014-24.jpg эВ оно равно 4014-25.jpg

Др. важное отличие плазменных "проводников" от конденсированных заключается в том, что большинство плазменных образований существуют при условии, что через них протекает ток. Таковы классич. электрические разряды в газах, плазма в плазменных ускорителях, тока-маках и др. При изменении тока плазменная структура (конфигурация) плавно или скачкообразно изменяется, в ней могут в широком диапазоне частот развиваться колебания (от акустических до ленгмюровских), на электродах возникать "привязки" и т. п. Около электродов, помещённых в плазму, обычно возникают при-электродные слои, падение потенциала на к-рых может существенно превосходить падение потенциала в осн. части плазменного объёма (напр., в тлеющем разряде). По этой причине для большинства плазменных систем особое значение имеют не дифференциальные, типа (1), а интегральные характеристики П. п. Для стационарных систем это, в первую очередь, вольт-амперные характеристики:

4014-26.jpg

к-рые связывают приложенное напряжение 4014-27.jpgс протекающим через плазменную конфигурацию током 4014-28.jpg В нестационарных условиях их эквивалентами являются "осциллограммы" тока и напряжения:

4014-29.jpg

Исключая из этих выражений f, получим для существенно нестационарных разрядов неоднозначные зависимости 4014-30.jpg

Если длина свободного пробега частиц достаточно мала, то динамику их поведения в плазме можно описать в гидродинамич. приближении (см. Двухжидкост-ная гидродинамика плазмы).

В этом случае для частиц каждого сорта записывается ур-ние движения, учитывающее и давление, и трение компонент друг о друга. Система этих ур-ний предельно упрощена, но тем не менее даёт правильное качественное, а во мн, случаях и количественное описание процессов.

Если время свободного пробега электронов 4014-31.jpg0, то усреднённая скорость электронной компоненты оказывается соизмеримой со скоростями тяжёлых компонент, и поэтому, учитывая малую массу электронов, во мн. случаях течение электронной компоненты можно считать безынерционным, а саму её - находящейся в квазистатич. состоянии. В результате ур-ние движения для электронов принимает вид обобщённого закона Ома:

4014-32.jpg

Переход от (6) к (2) сводится к замене 4014-33.jpg и пренебрежению 4014-34.jpg где L- характерный масштаб неоднородности плазменного образования. Такой переход означает игнорирование Холла эффекта и термоэлектрич. явлений, и это допустимо для конденсиров. сред, где эти эффекты выражены сравнительно слабо. Однако в плазме они могут стать определяющими. Так, напр., в термоядерных системах 4014-35.jpg 10 кэВ, следовательно, термич. разность потенциалов может достигать десятков кВ. В то же время омический член 4014-36.jpg может быть очень малым. Так, напр., в токамаке при ср. плотности тока в шнуре

4014-37.jpg и 4014-38.jpg10 кэВ П. п.4014-39.jpg

Отсюда 4014-40.jpg В/см. В этих условиях большую роль в плазме начинает играть эффект Холла, т. е. в (6) входит не 4014-41.jpgкак в (2), а 4014-42.jpg Тогда получим

4014-43.jpg

где

4014-44.jpg

Второй член в правой части (7) обычно наз. холлов-ским. В этом случае различают П. п. по полю и поперёк магн. поля (см. Ома обобщённый закон). Классич. проводимость 4014-45.jpg поперёк магн. поля с ростом H убывает 4014-46.jpg, а "холловская" проводимость, обязанная дрейфу электронов в скрещенных E-H -полях, убывает медленнее:4014-47.jpg. Проводимость вдоль магн. поля от H не зависит. При расчёте тока в плазме по ф-лам (7) и (8) надо знать скорость ионных компонент 4014-48.jpg В этом случае токи в плазме определяются не просто проводимостью и разностью потенциалов, приложенной к плазменному промежутку, а являются результатом коллективного взаимодействия всей самоорганизующейся плазменной конфигурации. Если конфигурация осесимметрична, а магн. поле имеет только одну азимутальную компоненту 4014-49.jpg то такая конфигурация имеет вид неограниченного цилиндра. Это означает, что если имеется гофриров. проводник, то при 4014-50.jpgлинии электрич. тока перестают заходить в выступы (рис. 1).


Рис. 1. Линии тока в гофрированном проводнике: 1- токовая поверхность, внутри которой 4014-51.jpg0,9 4014-52.jpg при

4014-53.jpg = 5; 2- то же при 4014-54.jpg = 25.

4014-55.jpg


Величина П. п. 4014-56.jpg введённая феноменологически в гидродинамич. рассмотрении, может быть вычислена более строго [1], с использованием кинетических уравнений для плазмы, тогда для проводимости ионно-элект-ронной плазмы получим ряд ф-л:

4014-57.jpg

4014-58.jpg

4014-59.jpg

Здесь 4014-60.jpg- заряд иона, 4014-61.jpg- кулоновский логарифм.

В случае полностью ионизованной плазмы проводимость зависит только от темп-ры, возрастая пропорционально 4014-62.jpg и не зависит от концентрации плазмы. Это объясняется тем, что время свободного пробега

4014-63.jpg

поскольку

4014-64.jpg

Иначе ведёт себя коэф. электропроводности в случае слабоионизов. плазмы, у к-рой частота столкновений электронов с нейтралами больше, чем с ионами. Его можно определить, зная 4014-65.jpgи 4014-66.jpgпо ф-ле

4014-67.jpg

Если плазма достаточно плотная и близка к равновесной, то оценку концентрации электронов можно получить с помощью Саха формулы.

Однако это лишь оценочные расчёты, они могут заметно расходиться с экспериментами из-за загрязнения плазмы. Наличие примесей может существенно увеличивать концентрацию электронов. Учитывая, что при малых энергиях частиц 4014-68.jpg кулоновское сечение (3) существенно больше (в 4014-69.jpg раз) газокинетического, газ со степенью ионизации 4014-70.jpg может уже рассматриваться как сильноионизованный, а его проводимость определяется по ф-ле (9а).

При достаточно редких столкновениях анализ П. п. требует учёта инерции электронов и кинетич. эффектов, таких, как убегание электронов Будкера - Дрей-сера (см. Убегающие электроны), пристеночная проводимость, аномальное сопротивление, а также проводимость за счёт неоклассич. переноса (см. Переноса процессы).

Благодаря различию скоростей ионной и электронной компонент, приводящему к эффекту Холла, траектории ионов и электронов в плазменных объёмах могут иметь совершенно разный вид (рис. 2). Так, напр., в осесимметричных плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом ионы идут вдоль канала в направлении приложенной разности потенциалов, тогда как электроны преим. движутся (дрейфуют) по замкнутым траекториям вдоль азимута, в направлении, перпендикулярном E и Н.

Рис. 2. Схематическое изображение траектории ионов и электронов в плазменном объёме при "сильном" эффекте Холла; сплошные линии - ионы, штриховые - - электроны.

4014-71.jpg

Существ. различие ионных и электронных траекторий приводит к тому, что сопряжение плазменных систем с электродами представляет собой весьма непростую проблему и часто требует сложных многоэлектродных систем, примером к-рых могут служить секцио-ниров. электроды МГД-генераторов. Чтобы уменьшить возникающие здесь трудности, часто стремятся траектории той или иной группы частиц (обычно электронов) сделать замкнутыми.

Лит.:1) Брагинский С. И., Явления переноса в плазме, в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 1, М., 1963, с. 183; 2) Райзер Ю. П., Основы современной физики газораз-. рядных процессов, М., 1980. А. И. Морозов.

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


.

Смотреть что такое "ПРОВОДИМОСТЬ ПЛАЗМЫ" в других словарях:

  • удельная проводимость плазмы — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN plasma conductivity …   Справочник технического переводчика

  • проводимость Каулинга — Горизонтальная электропроводность ионосферной плазмы ( …   Справочник технического переводчика

  • проводимость Педерсена — Электропроводность ионосферной плазмы ( …   Справочник технического переводчика

  • проводимость Холла — Электропроводность ионосферной плазмы ( …   Справочник технического переводчика

  • ПРИСТЕНОЧНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ — электронная проводимость разреженной замагниченной плазмы поперёк маги, поля, обусловленная столкновениями электронов не с тяжёлыми частицами (атомами, ионами) в объёме, а столкновениями с поверхностями (стенками), пересекающими магн. силовые… …   Физическая энциклопедия

  • ТЕЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ — направленные квазинейтральные потоки тяжёлой (ионной) компоненты плазмы. (Скорости электронов и ионов могут сильно различаться, но квазинейтральность сохраняется.) T. п. являются общим свойством практически всех плазменных систем, хотя факторы,… …   Физическая энциклопедия

  • Физика плазмы — Физика плазмы  раздел физики, изучающий свойства и поведение плазмы, в частности, в магнитных полях. Для физики плотной плазмы справедливо утверждение, что её можно считать подразделом физики сплошных сред, так как при исследовании плотной… …   Википедия

  • диагностика плазмы — Определ. состава, темп ры, энтальпии, теплофиз. (теплопроводность, теплоемкость, коэфф. теплоотдачи), электрич. (проводимость, потенциал, плотность тока) и др. св в плазмы. Для измерения среднемасс. параметров плазмы (темп ры, энтальпии,… …   Справочник технического переводчика

  • диагностика плазмы — [plasma diagnostics] определение состава, температуры, энтальпии, теплофизических (теплопроводность, теплоемкость, коэффициент теплоотдачи), электрических (проводимость, потенциал, плотность тока) и других свойств плазмы. Для измерения… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ — электропроводность, 1) способность в ва проводить пост. электрич. ток под действием не изменяющегося во времени электрич. поля. Э. п. в ва обусловлена имеющимися в нём подвижными электрич. зарядами носителями тока. В зависимости от вида носителей …   Большой энциклопедический политехнический словарь

Книги